Лабораторная работа №2

“Адсорбция на границе жидкость – газ”

Цель работы: Количественное изучение поверхностного натяжения и закономерностей адсорбции на границе раствор – воздух; сравнение поверхностной активности различных поверхностно – активных веществ, определение основных характеристик адсорбционного слоя.

Особенностью дисперсных систем, как было показано ранее, является наличие огромной межфазной поверхности. Поверхностный слой обладает избыточной или поверхностной энергией G_s, которая является произведением двух величин – поверхностного натяжения σ и сумарной поверхности раздела S: G_s = σ*S.

Как известно, любые процессы протекают самопроизвольно, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии. Снижение поверхностной энергии может быть достигнуто двумя путями: за счёт уменьшения поверхностного натяжения и за счёт уменьшения поверхности раздела. В связи с этим все поверхностные явления делятся на две группы.

Первая группа явлений – это явления, происходящие при постоянстве поверхностного натяжения, а уменьшение поверхностной энергии G_S обусловлено снижением поверхности раздела фаз S. Это снижение может быть реализовано за счёт укрупнения частиц, а также образования сферической или идеальной гладкой поверхности.

Вторая группа явлений связана со снижением поверхностной энергии σ при неизменной величине поверхности раздела S. К ним относятся: тепловые процессы (при смачивании, адгезии, образование новой поверхности), механические процессы (капиллярные явления), электрические (явления возникновения двойного электрического слоя, электрокинетические явления), химические процессы (адсорбция, адгезия) и др.

Адсорбция – наиболее распространённое поверхностное явление. Чаще всего адсорбция представляет собой процесс самопроизвольного концентрирования вещества в поверхностном слое, в результате которого уменьшается поверхностное натяжение. Связь между избытком I – компонента в поверхностном слое Г_i и снижением поверхностного натяжения σ выражается фундаментальным адсорбционным уравнением Гиббса.

Для разбавленного двухкомпонентного раствора оно имеет вид уравнения: Из уравнения Гиббса вытекает понятие поверхностной активности: , которая графически определяется как тангенс угла наклона (tgα₀) изотермы поверхностного натяжения для поверхностно – активных веществ ПАВ в точке пересечения её с осью ординат. Величина адсорбции Г зависит от ряда факторов (концентрации, давления, температуры и др.). Зависимость величины адсорбции от концентрации адсорбированного вещества при Т=const называется изотермой адсорбции. Типичная изотерма адсорбции для ПАВ, имеет вид изотермы мономолекулярной адсорбции с двумя линейными участками ОА и ВД и одним криволинейным участком АВ.

Изотерма мономолекулярной адсорбции хорошо описывается уравнением Ленгмюра, которое для поверхностно активных веществ (ПАВ) можно записать:

где - емкость монослоя или предельная величина адсорбции, представляющая собой молей ПАВ, приходящихся на 1 единицу поверхности в насыщенном адсорбционном слое; b – константа адсорбционного равновесия.

Важны экстраполяционные следствия из уравнения Ленгмюра. При малых концентрациях или давлениях, когда (участок ОА), получаем Г = , что соответствует линейному росту адсорбции с увеличением концентрации. При больших концентрациях, когда (участок BD), уравнение переходит в соотношение Г = . Этот случай отвечает насыщению, когда вся поверхность покрывается монослоемадсорбата.

Величина предельной адсорбции характеризующая такой слой, не зависит от длины молекул ПАВ, а определяется лишь площадью полярной части. Для данного гомологического ряда остаётся постоянной.

Для многих систем адсорбция растворённого вещества на границе раздела жидкость – газ может быть оценена по измерению поверхностного натяжения. На основании экспериментального изучения поверхностного натяжения и адсорбции на границе жидкость – газ было установлено эмпирическое правило Дюкло – Траубе, которое математически можно записать в виде

Правило Дюкло – Траубе справедливо только для комнатных температур, разбавленных растворов и полярных растворителей. В неполярных растворителях правило становится обратным, т.е. с увеличением длины неполярной части молекулы её поверхностная активность не возрастает, а падает.

Содержание работы.

1. Исследовать зависимость поверхностного натяжения на границе водный раствор – воздух от концентрации поверхностно – активного вещества (ПАВ) для трёх серий растворов. Построить изотермы поверхностных натяжений σ = ƒ(C_ПАВ).

2. Проверить выполнение правила Дюкло – Траубе.

3. Построить изотерму адсорбции Г = ƒ(C_ПАВ) с использованием уравнения Гиббса только для одного ПАВ (по заданию).

4. Построить зависимость С/Г = ƒ(C) и найти величину предельной адсорбции .

5. Рассчитать параметры адсорбционного слоя S₀ и δ (размеры молекул ПАВ) с использованием даных о величине .

Описание лабораторной установки.

Наиболее удобным и универсальным методом измерения поверхностного натяжения является метод наибольшего давления пузырьков, предложенный П. А. Ребиндером. Пузырёк газа в глубине жидкости находится под давлением со стороны жидкости, стремящимся уменьшить его. Это давление определяется формулой Лапса.

,

где r – радиус кривизны; σ – поверхностное натяжение.

Для того чтобы найти σ, нужно измерить . Метод состоит в том, что измеряется давление, требуемое для проскока пузырька из капилляра с радиусом r, опущенного в исследуемую жидкость.

В сосуд 3 заливается дистиллированная вода, примерно на 1/3 высоты так, чтобы стеклянный капилляр 4 только касался поверхности, слегка приподнимая жидкость. Для того чтобы создать разряжение в сосуде (все соединения должны быть герметичными), через кран 5 следует вылить немного воды из делительной воронки 1. При этом увеличивается разность между уровнями жидкости в манометре 2, в результате чего на конце капилляра появляется пузырёк воздуха. В момент проскакивания пузырька воздуха через капилляр происходит изменение давления в системе, которое фиксируется по максимальной разности уровней жидкости в манометре. Изменение проводят не менее трёх раз и берут в расчёт среднее значение.

Скорость проскакивания пузырьков воздуха регулируют краном делительной воронки. Время образования пузырьков воздуха должно быть 10 – 20 секунд. Если при открывании крана вода не течёт, значит в резиновые шланги попала жидкость. Необходимо снять шланги и вылить из них воду. Если по мере истечения воды из воронки не наблюдается проскакивания пузырька через капилляр, необходимо плотнее закрыть пробкой сосуд. Для повышения точности отсчёта разностей уровней используют наклонный манометр.

Внимание! При измерении σ в серии растворов разных концентраций всегда начинают с наиболее разбавленного раствора. Так можно избежать изменения концентрации растворов из – за присутствия остатков растворов больших концентраций. Даже небольшое изменение концентрации раствора может значительно повлиять на величину поверхностного натяжения. Отнесение этой величины к исходной концентрации ПАВ заведомо даёт искажение экспериментальной зависимости σ = ƒ(С).

При замене раствора одного ПАВ на другой необходимо сосуд и капилляр тщательно промыть водой, а в случае необходимости, - хромовой смесью и снова водой. Промывание проводить до тех пор, пока показания на манометре не будут соответствовать показаниям для чистого растворителя – H₂O (h=h₀).

При работе с установкой необходимо выполнять следующие правила:

1) не производить никаких опытов в нечистой посуде, посуду мыть сразу же после опыта;

2) при приготовлении растворов поверхностно – активных веществ пользоваться грушей;

3) осторожно обращаться со стеклянными частями установки для измерения поверхностного натяжения, особенно со стеклянным капилляром прибора Ребиндера.