02. Адсорбция жидкостью

Адсорбция на границе
жидкость - газ
План
1. Поверхностно-активные и поверхностноинактивные вещества (ПАВ и ПИАВ)
2. Коллоидные ПАВ
3. Уравнения Гиббса и Шишковского
Подготовила к.х.н., доц. Иванец Л.Н.
Свойства ПАВ и ПИВ
Поверхностно-инактивные вещества
а) σПИВ > σ0;
б) ПИВ хорошо растворимы в растворителе и более полярны, чем
чистый растворитель;
в) ПИВ – электролиты, ионы которых окружены сольватной оболочкой,
препятствующей выходу иона в поверхностный слой.
Поверхностно-активные вещества
а) σПАВ < σ0;
б) ПАВ сравнительно малорастворимы и менее полярны, чем чистый
растворитель;
в) Молекулы ПАВ имеют дифильное строение, состоят из
гидрофобной (углеводородная цепь, радикал) и гидрофильной
(полярная группа) и группировок (-OH, -COOH, -NH2, -CN, -NO, -CHO,
-SO2H) – полярные органические вещества.
 = р-ра - р-ля
1. Поверхностноактивные в-ва
(ПАВ) ↓ σ
2. Поверхностноинактивные в-ва
(ПИВ) ↑σ
р-ра < р-ля

0
C
р-ра > р-ля

0
C
3. Поверхностно
=

р-ра
р-ля
неактивные в-ва
(ПНВ)

0
C
Вещества
Классы соединений
Поверхностноактивные в-ва
(ПАВ)
Спирты; карбоновые
кислоты; сложные эфиры;
амины
Поверхностноинактивные в-ва
(ПИВ)
Неорганические кислоты;
соли; основания;
аминоуксусная кислота
(глицин).
Поверхностнонеактивные в-ва
(ПНВ)
Сахароза
Ориентация молекул ПАВ на
поверхности жидкости с
увеличением концентрации
“частокол Ленгмюра”
Поверхностная активность
Способность растворенного вещества изменять
поверхностное натяжение – поверхностная
активность (g)
Мера поверхностной активности:

g
c
В результате исследований зависимости
поверхностного натяжения от концентрации
водных растворов органических веществ Дюкло и
Траубе установил правило:
В любом гомологического ряда при малых
концентрациях удлинение углеводородной цепи на
СН2 приводит к увеличению поверхностной
активности в 3,0-3,5 раза.
Как видно из рисунка, на котором изображены
кривые σ = f (c) для ряда водных растворов
насыщенных жирных кислот.
Изотермы поверхностного
натяжения для растворов ПАВ с
разной длиной радикала
Классификация ПАВ
Молекулярные (неионогенных) нейтральные молекулы спиртов,
карбоновых кислот, белков
Ионогенные катионактивние (поверхностноактивный катион) Органические N-содержащие основы й их соли
Ионогенные анионактивные
(поверхностно-активный анион) мыла, сульфокислоты и их соли
Отодвигание пудры талька
каплей олеиновой кислоты
Растекание масла на поверхости
воды
Условия растекания:
- σ масла меньше, чем σ воды
- большая разница между σ масла и σ
воды
Схема переноса
мономолекулярного слоя на
твердую поверхность
Модели строения биологических мембран:
1 – липидный бислой; 2 – поверхностные белки;
3 – интегральные белки; 4 – ионный канал
Мицеллообразующие ПАВ
Молекулы коллоидных ПАВ состоят из
большого гидрофобного углеводородного радикала и сильно гидратирующейся полярной группы (кривая 4).
Например:
стеариновая
кислота
С17Н35СООН,
пальмитиновая кислота
С15Н31СООН,
олеиновая кислота С17Н33СООН.
В растворах коллоидных ПАВ самопроизвольно образуются
агрегаты из ориентированных молекул – мицеллы.
Мицелла - ассоциат дифильных молекул, лиофильные группы
которых обращены к растворителю, а лиофобные группы собираются
вместе, образуя ядро мицеллы.
Концентрация, при которой происходит
образование мицелл - критическая концентрация
мицеллообразования (ККМ) ~ 0,05 %
Прямые мицеллы - мицеллы ПАВ,
образуются в водной среде (гидрофильные
полярные группы снаружи, гидрофобные
углеводородные радикалы – внутри).
Обратные мицеллы - мицеллы ПАВ
образуются
в
неполярной
среде
(гидрофильные полярные группы внутри,
гидрофобные углеводородные радикалы –
снаружи).
Концентрация, при которой
происходит образование мицелл
- критическая концентрация
мицеллообразования (ККМ)
Мицеллы коллоидных ПАВ:
а – сферические;
б – дискообразные;
в – цилиндрические.
Солюбилизация
Солюбилизация - явление растворения веществ в мицеллах ПАВ.
В водных мицеллярных системах солюбилизируются
вещества, нерастворимые в воде (органические растворители,
жиры), так как ядро мицеллы проявляет свойства неполярной
жидкости.
Например, растворимость октана в воде – 0,0015%,
а в 10%-ом растворе олеата натрия – 2%.
Применение солюбилизации
•моющее действие ПАВ;
•изготовление эмульсионно-смазочных жидкостей;
•получение фармпрепаратов;
•получение пищевых продуктов.
Моющий процесс сводится
к обеспечению 3 этапов:
отрыв грязевых частиц от очищаемой
поверхности,
перевод нерастворимых в воде грязевых
частиц в раствор,
удержание этих плавающих
частиц в моющем растворе,
т.е. предотвращение
ресорбции.
Механизм действия ПАВ.
Гидрофобный
«хвостик»
связывается с
частицами грязи.
Гидрофильная
«головка» цепляется
за воду, уменьшая ее
поверхностное
натяжение, тем
самым, помогая воде
лучше смачивать
отмываемую
поверхность и
отрывать частицы
загрязнений.
Типичный состав чистящего
порошка с детергентами
Пути попадания синтетических ПАВ в организм
Постоянное использование средств на основе
ПАВ может приводить к аллергическим
реакциям
Воздействие СМС на окружающую среду и
организм человека.
ПАВ являются одними из наиболее распространенных
загрязнителей объектов окружающей среды, прежде всего,
водных ресурсов:
- ПАВ отрицательно влияют на качество подземных
питьевых вод и само очищающую способность водоемов, на
использующих эту воду флору и фауну,
- водные растворы ПАВ дают стойкую пену, препятствуя
аэрации и ухудшая тем самым биохимическую
очистительную способность водоемов,
- водные растворы ПАВ усиливают коррозию металлов,
- проникая в организм, ПАВ способны вызвать грубые
нарушения иммунитета, развитие аллергии, поражение
мозга, печени, почек, легких, они способствуют
возникновению злокачественных опухолей.
Изотермы поверхностного
натяжения
1 – для раствора ПАВ
2 – ПИАВ
3 – ПИВ
Зависимость поверхностного
натяжения от концентрации раствора
1
1
2
2
3
3
1, 3 – прямолинейная зависимость Генри:
σ0- σ = КС
2- уравнение Шишковского:
σ = σ0 – a ln (1+ bc)
Изотерма адсорбции Гиббса
1. Низкие С
Г
газ
2
Г
1
вода
2. Высокие С
«частокол Лэнгмюра»
газ
вода
c
Зависимость адсорбции от концентрации
ПАВ описывается уравнением Гиббса:
C d
Г 

RT dC
где Г – адсорбция, моль/м2;
С – концентрация ПАВ, моль/л;
σ - поверхностная активность ПАВ,
d Дж·м/моль;

Т dC
– температура, К; R = 8.314 Дж/(моль·К)
Анализ уравнения Гиббса.
 C
Г 

C RT

 0,
C
Г 0

 0, Г  0
C