6.1. Поверхностное натяжение и адсорбция по Гиббсу
Поверхностными явлениями называют процессы, происходящие на границе раздела фаз и обусловленные особенностями состава и строения поверхностного (пограничного) слоя.
Gs = ?s,
где Gs – поверхностная энергия Гиббса системы, Дж; ? – коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением, Дж/м2; s – межфазная поверхность, м2.
Поверхностное натяжение о есть величина, измеряемая энергией Гиббса, приходящейся на единицу площади поверхностного слоя. Оно численно равно работе, которую необходимо совершить против сил межмолекулярного взаимодействия для образования единицы поверхности раздела фаз при постоянной температуре.
Из модели Дюпре, поверхностное натяжение равно силе, стремящейся уменьшить поверхность раздела и отнесенной к единице длины контура, ограничивающего поверхность
Способность растворенных веществ изменять поверхностное натяжение растворителя называется поверхностной активностью g:
Классификация веществ по влиянию на поверхностное натяжение растворителя
1. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – понижают поверхностное натяжение растворителя (?р-р < ?0) g > 0 (по отношению к воде – органические соединения дифильного строения).
2. Поверхностно-инактивные вещества (ПИВ) – незначительно повышают поверхностное натяжение растворителя (?р-р > ?0) g < 0 (неорганические кислоты, основания, соли, глицерин, ?-аминокислоты и др).
3. Поверхностно-неактивные вещества (ПНВ) – практически не изменяют поверхностного натяжения растворителя (?р-р = ?0) g = 0 (по отношению к воде веществами являются сахароза и ряд других).
Правило Дюкло-Траубе: в любом гомологическом ряду при малых концентрациях удлинение углеродной цепи на одну группу CH2 увеличивает поверхностную активность в 3–3,5 раза:
Для водных растворов жирных кислот (уравнение Шишковского):
где b и К – эмпирические постоянные, b одинаково для всего гомологического ряда, К увеличивается для каждого последующего члена ряда в 3–3,5 раза.
Процесс самопроизвольного изменения концентрации какого-либо вещества у поверхности раздела двух фаз называется адсорбцией. Адсорбентом называется вещество, на поверхности которого происходит изменение концентрации другого вещества – адсорбата.
Изотерма адсорбции Гиббса:
Избыток адсорбата в поверхностном слое по сравнению с его первоначальным количествам в этом слое характеризует избыточную, или так называемую гиббсов-скую, адсорбцию (Г).