ПОверхностные явления и адсорбция
Коллоиды - высокодисперсные системы, наиболее существенные свойства которых определяются особенным состоянием вещества на границе раздела фаз. В процессе диспергирования в поверхностном слое увеличивается доля молекул, которые энергетически отличаются от частиц системы.
Обратимая изотермическая работа W образования единицы новой поверхности называется свободной энергией
W= - ΔA=σ·s,
где σ для границы раздела раствор-собственный пар (воздух) равна поверхностному натяжению - силе, которая действует на единицу длины контура, ограничивающего межфазную поверхность, Н/м, Дж/м2;
s - поверхность раздела фаз, м2.
При переходе от индивидуальных растворов к растворам, поверхностноенатяжение, как правило изменяется.
Вещества, способные концентрироваться на границе раздела фаз, уменьшая σ, называются поверхностно-активными (ПАВ). Мерой излишнего содержания компонента раствора в поверхностном слое в сравнении с объемом является адсорбция Г.
Лабораторная работа №1
Исследование адсорбции ПАВ на границе раствор-воздух
Цель работы: рассчитать значение предельной адсорбции Г∞, поверхность, занимаемую молекулой адсорбата в поверхностном слое S0, толщину адсорбционного слоя δ по экспериментальным данным.
Для измерения поверхностного натяжения можно воспользоваться методом максимального давления пузырька.
В этом случае σ определяется по давлению, при котором происходит отрыв пузырьков воздуха, выдуваемых в исследуемый раствор через капилляр.
Даление Р в момент отрыва пузырька максимальный и связан с поверхностным натяжением соотношением
σ = К·Р (1.1)
где К определяют путем измерения величины Р для жидкости с известным значением σ, например, воды, для которой 
мН/м при Т=298 К. Зная 
и 
, из уравнения (1.1) получим К.
Постоянная К зависит от формы капилляра, его среза и глубины погружения в раствор.
(1.2)
Оборудование и реактивы.
Прибор Ребиндера для определения поверхностного натяжения.
Растворы ПАВ 4-7 концентраций.
Дистиллированная вода.
Ход работы
Поверхностное натяжение определяют при помощи установки, предложенной Ребиндером (рис.1).
В сосуд 1 заливают воду или раствор так, чтобы край капилляра касался поверхности жидкости.
Краном эжектора 2 устанавливают постоянную скорость вытекания жидкости для обеспечения равномерного проскока пузырьков (1 проскок за 20 с). При этом фиксируют максимальный (h1) и минимальный (h2) уровни манометра. Измерения повторяют несколько раз до получения постоянных результатов.
Максимальное давление пузырьков определяют по разности уровней манометра Δh = h2 - h1 и рассчитывают величину σ, Н/м:
(1.3)
Сначала устанавливают Δh для дистиллированной воды, а затем для исследуемых растворов ПАВ (по указанию преподавателя), начиная с наименьшей концентрации.
При температуре, отличной от стандартной (298 К), σ определяют из соотношения 
, где 
- постоянная, равная температурному коэффициенту с обратным знаком.
Обработка экспериментальных данных
Рассчитанные по уравнению (4) значения σ используют для построения графика в координатах 
(рис.2).
Адсорбцию рассчитывают по уравнению Гиббса
(1.4)
Путем графического дифференцирования σ,с-зависимости определяют значение z. Если провести касательную к кривой в точке х, то тангенс ее угла наклонак оси абсцисс (угол j) будет равен 
.
Из графика видно, что
(1.5)
Рис.2 где z - отрезок, отсекаемый на оси ординат горизонтальной прямой, проведенной через точку х, и касательной к кривой в этой точке.
Подставляя значения z из (6) в уравнение (5) получаем Г, моль/м2:
(1.6)
Обработав указанным методом кривую в 8-10 точках, строят изотерму адсорбции 
(рис.2), по которой ориентировочно определяют предельную (максимальную) адсорбцию Г∞, соответствующую образованию мономолекулярного слоя.
Рис.3. Изотерма адсорбции Ленгмюра, которой отвечают полученные данные, имеет вид
(1.7)
Уравнение Ленгмюра можно преобразовать в уравнение прямой (рис.4):
(1.8)
Рис.4 Отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, равен 
, где b - константа адсорбционного равновесия.
(1.9)
По рассчитанным значениям предельной адсорбции Г∞ определяют площадь молекулы S0 и толщину адсорбционного слоя δ, которая соответствует длине адсорбированной молекулы:
; 
(1.10)
где NA - постоянная Авагадро;
M - относительная молекулярная масса;
ρ - плотность ПАВ.
Оформление отчета.
Отчет должен содержать:
описание и схему использованной установки; зависимости поверхностного натяжения и величины адсорбции от концентрации ПАВ в растворе;
график в координатах линеаризованного уравнения Ленгмюра; рассчитанные значения предельной адсорбции,
константы адсорбционного равновесия, площади, занимаемой молекулой в адсорбционном слое и толщину адсорбционного слоя;
выводы, сделанные в ходе работы.
Лабораторная работа №2