1598082719-8919f39816a16b7b9e8153327d533cc4 (805677), страница 61
Текст из файла (страница 61)
$44.5. Поверхностно-активные вещества. Адсорбция !. Растворение в жидкости различных добавок вызывает изменение поверхностного натяжения. Это особенно заметно в тех случаях, когда силы взаимодействия между молекулами растворенного вещества и растворителя сильно отличаются от сил взаимодействия между молекулами растворителя.
Если последние больше первых, то молекулы растворенного вещества, слабо взаимодействующие с молекулами растворителя, «выталкиваются» последними в поверхностный слой. Концентрация молекул растворенного вещества в поверхностном слое будет больше концентрации их в объеме жидкости. Вещества, собирающиеся в поверхностном слое при растворенги их в жидкости, называют поверхностно-активными веществами, а явление повышенной концентрация молекул этих веществ в поверхностном слое растворителя называют адсорбцией.
Адсорбция молекул газа или жидкости может происходить также и на поверхности твердого тела, контактирующего с газом или жидкостью (например, на по- верхности актнвированного угля). Поверхностно-активными веществами по отношению к воде являются многие органические вещества; жирнь1е кислоты, их соли, спирты, эфиры и др. Поверхностно- активные вегцества вызывают уменьшение поверхностного натяжения. Если силы взаимодействия между молекулами растворенного вещества н растворителя больше сил взаимодействия между молекулами растворителя (например, в случае раствора сахара в воде), то наблюдается обратное явление — концентрация молекул растворенного вещества в поверхностном слое оказывается меньшей, чем в остальном объеме раствора.
Такое явление называют отрицательной адсорбцие й. 2. Поверхностно-активные вещества практически полностью концентрируются в поверхностном слое растворителя. Такая картина наблюдается, например, при введении в воду жирных кислот. Молекулы этих кислот представляют собой длинную цепочку, концы которой поразному взаимодействуют с молекулами воды. Конец, содержащий группу СООН, сильно взаимодействует с молекулами воды (гидрофильиый конец молекулы жирной кислоты). Конец, содержащий группу СН, слабо взаимодействует с молекулами воды (гидрофобный конец молекулы). Поэтому молекулы жирных кислот, выталкиваясь в поверхностный слой воды, располагаются в нем вертикально так, что концы с группой СООН оказываются погруженными в воду, а концы с группой СН, торчат наружу.
Если концентрация жирной кислоты в водестоль мала, что площадь свободной поверхности, приходящаяся на одну молекул у жирной кислоты, значительно меньше поперечного сечения этой молекулы, приблизительно равного (2 †; 2,4) 10 " м', то поверхностное натяжение практически равно поверхностному натяжению чистой воды. По мере увеличения содержания жирной кислоты в воде концентрация молекул кислоть1 в поверхностном слое возрастает до тех пор, пока они ие образуют сплошной мономолекулярный слой.
При этом поверхностное натяжение уменьшается. Дальнейшее увеличение количества жирной кислоты приводит к возникновению двух и большего числа мономолекулярных слоев, а коэффициент поверхностного натяжения приближается к его значению для жирной кислоты. 3. Адсорбция в поверхностном слое сопровождается увеличением его вязкости. Это объясняется тем, что погруженные в растворитель активные концы молекул адсорбированного вещества притягивают к себе молекулы растворителя, концентрируя молекулы жидкости около себя. Увеличение вязкости поверхностной пленки приводит к повышению ее прочности. Так, например, вязкость тонких пленок мыльной воды значительно больше вязкости чистой воды, благодаря чему эти пленки обладают сравнительно большой устойчивостью.
Мыльные пузыри могут скользить один вдоль другого, не сливаясь. Этим объясняется также устойчивость пены. 4. Поверхностно-активные вещества нашли широкое применение в технике резания металлов, бурения горных пород, флотационных — 310— процессов и т. д. Адсорбируясь на поверхности металла или горной породы, молекулы поверхностно-активных веществ проникают внутрь микротрещин.
Адсорбированный слой способствует дальнейшему развитию трещин в глубь тела. Поэтому разрушение твердого тела в присутствии поверхностно-активных веществ происходит при меньших внешних усилиях. $44.6. Смачиваиие и иапиллярные явления 1. Опыты показывают, что свободная поверхность жидкости около стенок сосуда, вообще говоря, искривлена и имеет вид, изображенный на рис. 14.2: Искривленную свободную поверхность жидкости называют мениском Для характеристики мениска вводят краевой угол й между смоченной поверхностью стенки и меннском в точках их пересечения. Если а«с, 90' (рис.
14.2, а), то говорят, что жидкость смачивает стенку, если а)90' (рис. 14.2, б), то говорят, что жидкость не смачивает стенку. Рис. 14.3 Рис. 14.2. Искривление поверхности жидкости и появление меннска вызвано ,тем, что молекулы жидкости, находящиеся вблизи стенки сосуда илн другого твердого тела, взаимодействуют не только друг с другом, но н с частицами твердого тела, Рассмотрим произвольную молекулу А поверхностного слоя жидкости, находящуюся вблизи плоской стенли сосуда (рис. 14,3). Ее сфера молекулярного действия показана на рисунке пунктиром. Обозначим через Р, результирующую силу притяжения молекулы А всеми остальными молекулами жидкости, а через Р,— силу притяжения ее частицами стенки.
Из соображений симметрии ясно, что сила Р, направлена перпендикулярно к стенке. Направление силы Р, зависит от формы мениска и положения моле. кулы А относительно стенки. В простейшем случае плоского мениска зта сила направлена под углом 45' к стенке, если молекула А находится около самой стенки (рис. 14.4).
— 311— Сила тяжести молекулы пренебрежимо мала по сравнению с силами Г, и Г,. Поэтому можно считать, что результирующая сила Г, действующая на молекулу А, равна сумме сил Г, и Г,. Молекула находится в равновесии только в том случае, если сила Г направлена перпендикулярно к поверхности жидкости. В противном случае люлекула перемешалась бы вдоль этой поверхности. Направление силы Г зависит от направления / А силы Г, и соотношения между величинами сил — — Г,иГ,. — г Возможны следующие три случая (рис.
14,5): а) сила Г параллельна поверхности стенки, — — поверхность жидкости плоская и О = 90' (рис. Г! 14.5, а); б) сила Г направлена в сторону стенки, т. е. силы притяжения молекулы А частицами стенки преобладают над силами притяжения ее молекулами жидкости. При этом жидкость имеет вогнутый мениск и О< 90", т. е. жидкость смачивает стенку (рис. 14.5, б); в) сила Г направлена в сторону жидкости, т.
е. силы притяжения молекулы А молекулами жидкости преобладают над силами притяжения ее частицами стенки. В этом случае мениск выпуклый и й= 90', так что жидкость не смачивает стенку (рис. 14.5, в) вас.. !4А Рис. !4.З. 2. Вследствие действия сил поверхностного натяжения искривленный поверхностный слой производит на жидкость давление !хр, дополнительное по отношению к внешнему давлению р.
В этом отношении существует аналогия с действием растянутой упругой оболочки (например, резиновой камеры) на заключенный внутри нее газ. Найдем выражение для давления Ьр в простейшем случае, когда мениск имеет форму цилиндрической поверхности с постоянным радиусом кривизны 1т. Расслютрим бесконечно малый элемент поверхностного слоя АВСО, вырезанный вдоль образующей цилиндра к у л я р н ы х нормальных сечений' М11чт и Ма1чя поверхности в рассматриваемой точке А (рис. 14.7).
В формуле (14.15) радиус кривизны й, или йа считается п о л ож и т е л ь н ы м, если центр кривизны соответствующего сечения лежит в н у т р и жидкости В противном случае радиус кривизны сечения считается отр ицательным. Следовательно, дополнительное давление Лр )О, если мениск в ы п у клый, и Ьр(0, если он вогнутый, л Формула (14.!4) является частным слу- Х чаем (!4,15), так как для нормальногосе- Х чения цилиндрической поверхности, перпен- Ф дикулярного оси, й,= й, а для нормаль- ю Р)1 ного сечения, проходящего через ось, й = со. В случае плоской поверхности ~! И =й,= о и дополнительноедавлениеотсут- 2 ствует.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
