Коллоидная химия

Коллоидная химия


Поверхностное натяжение жидкости.


Поверхностный слой жидкости.

Все жидкости и твёрдые тела ограничены внешней поверхностью, на которой они соприкасаются с фазами другого состава и структуры, например, с паром, другой жидкостью или твёрдым телом.


Свойства вещества в этой межфазовой поверхности, толщиной в несколько поперечников атомов или молекул, отличаются от свойств внутри объёма фазы.


Внутри объёма чистого вещества в твёрдом, жидком или газообразном состоянии любая молекула окружена себе подобными молекулами.


В пограничном слое молекулы находятся во взаимодействии или с другим числом молекул (другим в сравнении с взаимодействием внутри объёма вещества). Это происходит, например, на границе жидкости с их паром.


Среднее значение равнодействующей молекулярных сил притяжения, приложенных к молекуле, которая находится внутри жидкости, близко к нулю. На рисунке ниже эта молекула обозначена М1.


Случайные флуктуации этой равнодействующей заставляют молекулу М1 совершать лишь хаотическое движение внутри жидкости.



Сила поверхностного натяжения


Иначе обстоит дело с молекулами, находящимися в поверхностном слое жидкости.


Рассмотрим молекулу, находящуюся непосредственно на границе раздела фаз. На рисунке обозначим её М2.


Если вокруг молекулы М2 описать сферу молекулярного действия, то внутри этой сферы окажутся центры многих других молекул, которые будут взаимодействовать с нашей молекулой. Радиус такой сферы составляет примерно 10-9 м.


Для молекулы М2 в нижней полусфере окажется много молекул, а в верхней – значительно меньше, так как снизу находится жидкость, а сверху – пар или воздух.


Поэтому для молекулы М2 равнодействующая молекулярных сил притяжения в нижней полусфере много больше равнодействующей молекулярных сил в верхней полусфере. Силы, действующие в верхней полусфере так малы, что ими можно пренебречь.


Если рассмотреть ещё одну молекулу, которая, в сравнении с М2 будет немного больше «утоплена» в жидкость, но также находится в поверхностном слое. Обозначим её М3.


Поскольку в верней полусфере М3 будут находиться другие молекулы жидкости, то они будут притягивать М3 к себе и частично уравновешивать силы притяжение молекул, находящихся в нижней полусфере М3.


В результате общая равнодействующая сил, действующих на М3 окажется меньше общей равнодействующей М2.


Обе равнодействующие будут направлены внутрь жидкости перепендикулярно к её поверхности.


Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое толщиной, равной радиусу молекулярного действия, втягиваются внутрь жидкости.


Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создаёт давление на жидкость, которое называют молекулярным давлением.


Энергия поверхностного слоя жидкости.

Поскольку молекулы жидкости, находящиеся в её поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости, их потенциальная энергия больше, чем у молекул внутри жидкости.


Эту дополнительную потенциальную энергию молекул поверхностного слоя жидкости называют свободной энергией. За счёт неё может быть произведена работа, связанная с уменьшением свободной поверхности жидкости.


И, наоборот, для того, чтобы вывести молекулы, находящиеся внутри жидкости, на её поверхность, нужно преодолеть противодействие молекулярных сил, т.е. произвести работу, которая нужна для увеличения свободной энергии поверхностного слоя жидкости.


При этом, изменение свободной энергии прямо пропорционально изменению площади поверхности жидкости.


Так как всякая система самопроизвольно переходит в состояние, при котором её потенциальная энергия минимальна, то жидкость должна самопроизвольно переходить в такое состояние, при котором площадь её свободной поверхности имеет наименьшую величину.


Например, капля дождя или тумана в воздухе приобретают форму шара, форму, соответствующую наименьшему уровню свободной энергии.


Коэффициент поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения – это величина, характеризующая зависимость работы молекулярных сил, идущих на изменение площади свободной поверхности жидкости и самой площади изменения этой поверхности.


σ = А/ΔS


σ - коэффициент поверхностного натяжения

А – работа молекулярных сил по изменению площади поверхности жидкости

ΔS - изменение площади поверхности жидкости


σ измеряется работой молекулярных сил при уменьшении площади свободной поверхности жидкости на единицу.


Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости и внешних условий, например, температуры.


Сила поверхностного натяжения

Молекула М1, которая расположена на поверхности жидкости, взаимодействует не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами на поверхности жидкости, расположенными в пределах сферы молекулярного действия.



Сила поверхностного натяжения


Для молекулы М1 равнодействующая R молекулярных сил, направленных вдоль поверхности жидкости, равна нулю, а для молекулы М2, расположенной у края поверхности, R отлична от нуля.


Из рисунка видно, что сила R направлена перпендикулярно к границе свободной поверхности и по касательной к самой поверхности.


Молекулярные силы, направленные вдоль поверхности жидкости, действуют на любую замкнутую линию на свободной поверхности жидкости по нормали к этой линии таким образом, что стремятся сократить площадь поверхности жидкости, ограниченную замкнутой линией.


Это можно показать на следующем опыте.


На проволочном кольце укрепляется нитка длиной L.


Сила поверхностного натяжения


Если затянуть кольцо мыльной плёнкой, то нитка свободно расположится на этой плёнке (Рис. А). Площадь поверхности мыльной плёнки будет определяться контуром рамки.


Если прорвать мыльную плёнку с нижней стороны нитки, то молекулярные силы сократят поверхность, огрниченную теперь верхней частью контура и ниткой. При этом нитка натянется (Рис. В).


Сила, обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение площади её свободной поверхности и направленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения.


Силы молекулярного давления втягивают молекулы с поверхности внутрь жидкости, а силы поверхностного натяжения сокращают площадь свободной поверхности, т.е. закрывают образовавшиеся «окна» на этой поверхности.


Итак, поверхностный слой жидкости всегда находится в состоянии натяжения. Однако, это состояние нельзя сравнивать с натяжением упругой растянутой плёнки. Упругие силы возрастают по мере увеличения площади растянутой плёнки, а силы поверхностного натяжения от площади поверхности жидкости не зависят.


Опыт показывает, что на на коэффициент поверхностного натяжения влияет среда и температура жидкости. При повышении температуры жидкости её поверхностное натяжение уменьшается и при критической температуре становится равной нулю.


Оглавление


Органическая химия

Биохимия

Косметическая химия


Коллоидная химия


• Три агрегатных состояния
   вещества

• Силы межмолекулярного
   взаимодействия

Свойства жидкостей.

• Характеристика жидкого
   состояния вещества.

• Поверхностное натяжение
   жидкости.

Растворы.

• Понятие раствора.

• Гидраты и сольваты.

Дисперсные системы. Коллоиды.

• Дисперсные системы.
   Определение.
   Классификация:

       - Суспензии,
       - Эмульсии,
       - Пены,
       - Золи,
       - Гели.

• Адсорбция.

• Коллоидные частицы.
       - Виды коллоидных частиц.
       - Строение коллоидной
         мицеллы.

• Коагуляция коллоидных
   растворов.

• Стабилизация
   коллоидных растворов.

• Эмульсии и эмульгаторы.

• Взаимодействие
   "воды" и "масла".

Вещества, понижающие поверхностное натяжение (ПАВы).

• Что такое ПАВы?
• Строение ПАВ.
• Работа ПАВ в дисперсных
   системах.

       - Моющие средства.
       - Эмульгаторы.

• Классификация ПАВ.
   По типу гидрофильных групп:
       - анионные,
       - катионные,
       - амфотерные,
       - неионные.

   По характеру использования:
       - моющие средства,
       - смачиватели,
       - эмульгаторы,
       - солюблизаторы.

   По длине гидрофобной цепи:
       - Гидрофобные ПАВ,
       - Гидрофильные ПАВ.

• Использование ПАВ.
• Воздействие ПАВ
   на человека.

• Влияние ПАВ на
   окружающую среду.

• Моющие средства.