Поверхностно-активные вещества (ПАВ)

Поверхностная энергия (поверхностное натяжение) растворов зависит от природы растворителя и растворенного вещества, кон­центрации последнего и температуры.

Растворенные вещества либо понижают поверхностную энергию растворителя (их называют "поверхностно-активными веществами" или сокращенно ПАВ), либо повышают эту энергию (например, силь­ные электролиты в воде) или не влияют на ее величину (например, сахар в водном растворе).

Наибольшее практическое значение имеют органические ПАВ. Схематически их строение показано на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Строение ПАВ

Такие соединения называют "дифильными" (полярные группы гидрофильны, неполярные гидрофобны). В воде они могут быть растворимы либо образовывать мицеллы (такие системы ″ПАВ - вода″ называют коллоидными растворами, см. "Коллоидные растворы"). К первой группе относятся вещества, состоящие из молекул с ко­роткими углеводородными радикалами (например, пропиловый спирт), ко второй - вещества, состоящие из молекул с длинными углеводородными радикалами (например, мыла).

Попадая на поверхность, молекулы ПАВ ориентируются поляр­ной частью в воду, а неполярный "хвост" оказывается на границе раздела, что и приводит к уменьшению поверхностной энергии. По мере увеличения концентрации ПАВ в растворе растет его кон­центрация в поверхностном слое и уменьшается поверхностная энергия. При этом структура поверхностного слоя изменяется, как показано на рис. 1.8.

Рис.1.8. Изотерма поверхностной энергии и ориентация молекул ПАВ

на межфазной границе

Такие зависимости называют изотермами поверхностной энер­гии. Как видно из графика, при высоких концентрациях ПАВ соз­дается плотная упаковка его молекул в поверхностном слое (вода как бы покрывается тонкой пленкой углеводорода), поэтому sпе­рестает зависеть от концентрации.

Скорость изменения поверхностной энергии с концентрацией называется поверхностной активностью.

Уравнение Гиббса связывает поверхностную активность с величиной положительной адсорбции Г (Г есть избыток концентрации растворенного вещества на поверхности, измеряется в моль/м²):

, (1.8)

где с - концентрация вещества в растворе;

R - универсальная газовая постоянная;

Т – температура.

ПАВ используются как вспениватели (уменьшение поверхност­ной энергии приводит к увеличению устойчивости пузырьков воз­духа), мыла и детергенты.

Действие мыла основано на том, что его молекулы адсорби­руются на поверхности гидрофобных частиц (например, жира) (рис.1.9), способствуя отрыву их от подложки (например, ткани). Затем эти гидрофилизированные частицы могут быть уне­сены с пеной, которая образуется благодаря снижению поверхностной энергии воды.

Рис. 1.9. Схема действия детергентов

Детергенты (синтетические моющие средства), обладая свойствами мыл, способствуют дроблению агрегатов из слипшихся гидрофобных частиц. Их используют при обработке металлов, бу­рении скважин, измельчении различных материалов. Использование детергентов позволяет экономить энергию, затрачиваемую на образование новой поверхности, так как детергенты понижают удельную поверхностную энергию.

Дата добавления: 2015-07-24