Тема адсорбция на поверхности жидкостей

1. Энергетический смысл: поверхностное натяжение – это есть удельная поверхностная энергия.
2. Силовой смысл: сила, действующая по касательной к поверхности и тремящаяся сократить свободную поверхность до минимума при данном
объеме.

Поверхностное натяжение для различных жидкостей неодинаково, т. к. оно зависит от их молярного объема, полярности молекул, способности молекул к образованию водородной связи и т. д. Например, σ для хлороформа, воды и ртути равно соответственно 27,7, 72,58 и 471,6 мДж/м².

Одним из самых простых методов измерения поверхностного натяжения жидкостей является метод счета капель – сталагмометрический метод.
В момент отрыва капли жидкости от нижнего конца вертикальной трубки сила тяжести капли F_т уравновешивается силами поверхностного натяжения F_σ, действующими по контуру, ограничивающему поперечное сечение шейки. Результирующую этих сил можно представить в виде:
𝐹_𝜎 = 2𝜋𝑅𝜎 (9.5)
где R – радиус шейки, м; σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.
Таким образом, в момент отрыва F_т = F_σ. Отсюда
𝜎 = 𝐹_т⁄𝜋𝑑 (9.6)
Таким образом, определение коэффициента поверхностного натяжения сводится к определению силы тяжести, действующей на каплю и радиуса шейки в момент ее отрыва. Сила тяжести, действующая на каплю, определяется по объему V и плотности жидкости ρ
𝐹_𝑇 = 𝑚 ∙ g= 𝜌g 𝑉⁄𝑛 (9.7)
где ρ – плотность жидкости, кг/м³; V – объем жидкости, м³; n – число капель в данном объеме. Тогда подставив (9.6) в (9.7), получим расчетную формулу для коэффициента поверхностного натяжения
𝜎 = 𝜌g𝑉⁄𝑛𝜋𝑑 (9.8)

Рис. 9.2 - Силы, действующие на каплю в момент отрыва.	Рис. 9.3 - Сталагмометр СТ-2 предназначен для определения поверхностного натяжения растворов.

поверхности межфазного раздела «жидкость – газ» концентрируются (адсорбируются) поверхностно-активные вещества (ПАВ). Поверхностно-активными по отношению к разделу фаз «раствор – воздух» являются вещества с дифильным строением молекул, состоящие из полярной (гидрофильной) части и неполярного (гидрофобного) углеводородного радикала, например, спирты, аминокислоты, белки, органические кислоты, амины.
Адсорбируясь, ПАВ снижает поверхностное натяжение раствора () по сравнению с чистым растворителем, имеющим поверхностное натяжение ₀. Снижение  тем больше, чем больше концентрация ПАВ в растворе. Поверхностное натяжение идеального раствора связано с величиной избыточной гиббсовской адсорбции ПАВ уравнением Гиббса:
(9.9)
Г   где Г, с – равновесная адсорбция и объемная концентрация растворенного вещества. Следовательно, имея зависимость   f(c) – изотерму поверхностного натяжения, можно получить зависимость Г  f(с) – изотерму адсорбции ПАВ на поверхности «раствор - воздух». Изотерма адсорбции на границе «раствор - воздух» может быть описана также уравнением Ленгмюра:

Рис. 9.4. Изотерма поверхностного натяжения водного раствора ПАВ мДж/м^2	Рис. 9.5. Изотерма поверхностного натяжения в координатах - InC

(9.10)
где с – равновесная концентрация ПАВ в растворе, K – константа адсорбционного равновесия, численно равная отношению константы скорости адсорбции к константе скорости десорбции, Г_ – предельная адсорбция, соответствующая образованию на поверхности плотного мономолекулярного слоя вертикально ориентированных молекул ПАВ. Несложными преобразованиями уравнение (9.10) можно привести к виду
(9.11)
Сталагмометр СТ-2 предназначен для определения поверхностного натяжения растворов ПАВ методом определения объёма капель, выдавливаемых на границах: раствор – ПАВ - анти полярная жидкость или раствор ПАВ – воздух.
Основной частью являются микрометр 1 определяющий объём выдавливаемой капли. Микрометр прикреплён к корпусу 2, который должен свободно передвигаться по стойке 3. Положение микрометра фиксируется винтом 4. К корпусу 2 прикрепляется корпус медицинского шприца 5, верхний конец которого прикреплён к пружине 6, благодаря чему исключается самопроизвольное перемещение поршня. На шприц надевается игла, которая вводиться в капилляр. Игла подбирается с таким внешним диаметром, чтобы посадка на неё капилляра была скользящей. Поверхность капилляра, соприкасающаяся со шприцом, должна быть идеально отполирована. Принцип действия сталагмометра: при вращении микрометра наконечник 7 оказывает давление на подвижный шток поршня, который выдавливает из шприца по капилляру жидкость в виде капли.
Поверхностное натяжение на границе двух жидкостей определяется по формуле:
(9.12)
где, σ – поверхностное натяжения, эрг/см²;
k – постоянная капилляра;
V – объем выдавливаемой капли;
d₁ –плотность воды;
d₂ – плотность криоскопического бензола.

Для определения постоянной капилляра замеряют поверхностное натяжение. При этом криоскопический бензол должен иметь следующую характеристику: показатель преломления – 1,501 плотность d²⁰ – 0,8790.

К = (9.13)

где 34,96 – поверхностное натяжение на границе бензола с дистиллированной водой.
Плотность d²⁰ определяется взвешиванием в пикнометре. Объем капли V берется как среднее из 10-20 определений.