Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии - Фролов Ю. Г.
Скачать (прямая ссылка):
Работа 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ ПАВ
НА ИХ ПОВЕРХНОСТНУЮ АКТИВНОСТЬ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
АДСОРБЦИОННОГО СЛОЯ
Цель работы: получение изотерм поверхностного натяжения и адсорбции для водных растворов алифатических спиртов; определение соотношения поверхностных активностей ПАВ в их гомологическом ряду; расчет толщины адсорбционного слоя и площади, занимаемой одной молекулой ПАВ в насыщенном адсорбционном слое.
Поверхностно-активные свойства ПАВ зависят от числа метилено-вых гоупп в углеводородной цепи, природы и содержания полярных групп./, Адсорбционная способность молекул ПАВ характеризуется поверхностной активностью g. Поверхностную активность можно найти графически по экспериментальной изотерме поверхностного натяжения а = /(с). На рис. 10 представлены изотермы поверхностного натяжения для соседних членов гомологического ряда ПАВ. Приведенные кривые показывают^что с удлинением углеводородного радикала гомолога поверхностная активность g повышается.
^Дюкло и Траубе установили экспериментальное правило, согласно которому поверхностная активность жирных кисл.от, спиртов, аминов и других веществ в с гомологических рядах на границе раствор — воздух возрастает в 3,2 раза при увеличении б° углеводородной цепи на каждую СН2-группу:
где я— число метиленовых групп в углеводородном радикале.
Рис. 10. Изотермы поверхностного натяжения растворов ПАВ с углеводородным радикалом, содержащим я, " в + ! и п + 2 метиленовых "групп.
43
Это правило выполняется лишь для водных растворов ПАВ. Для растворов ПАВ в неполярных растворителях поверхностная активность при увеличении длины углеводородного радикала, наоборот, уменьшается (обращение правила Дюкло — Траубе).
Ленгмюр дал теоретическое обоснование эмпирическому правилу Дюкло — Траубе. Адсорбция и ориентация молекул ПАВ на границе фаз жидкость — воздух являются самопроизвольно протекающими процессами, сопровождающимися уменьшением энергии Гиббса системы. При введении ПАВ в полярную среду (воду) практически не-гидратирующиеся углеводородные цепи ПАВ раздвигают молекулы воды, встраиваясь в ее структуру. На осуществление этого требуется совершение работы против молекулярных сил. Обратный процесс — выход молекул ПАВ на межфазную поверхность (с ориентацией углеводородных цепей в сторону неполярной среды) идет самопроизвольно с уменьшением энергии Гиббса системы, что соответствует работе адсорбции е. Работа адсорбции зависит от длины углеводородной цепи ПАВ и в расчете на 1 моль молекул, состоящих из я-числа СНг-звеньев, составляет:
8 = —ЛС = фУУА/г (11.18)
где <р—работа адсорбции, отнесенна'я к одной СНг-группе.
Применительно к адсорбции из разбавленных растворов на основе уравнений Генри (II. 1) и изотермы Вант-Гоффа можно получить следующее выражение для константы Генри
А / АО\ /'фУУдлЛ
*г = — = ехр^-ж ) или /Сг = ехр^—
(II. 19)
Уравнение (II. 19) показывает, что значение константы Ку с увеличением числа СН2-групп в молекуле ПАВ растет в кратное число раз. Для двух соседних членов гомологического ряда ПАВ при условии постоянства концентрации и температуры можно записать:
Отсюда
/фЛГдл\ - ГфЛ'дрг-ЫП ^Г(п) = ехР и #Г(«+1) = ехР[-?у-| (И. 20)
*Г<я+])/*Г („) = мр (~^) = § = 3,2 (II. 21)
Полученное выражение для соотношения Дг(п-Н)/-^Г (я) отражает правило Дюкло —Траубе.
Коэффициент Р равен 3,2 только при 20 °С. При повышении температуры его значение уменьшается, приближаясь в пределе к единице. Уменьшение константы (5 обусловлено возрастанием десорбции молекул ПАВ при повышении температуры и снижением различия между поверхностной активностью гомологов.
„•Измерение поверхностной активности и адсорбции ПАВ позволяет определить параметры адсорбционных слоев: площадь, занимаемую одной молекулой, 50 и толщину поверхностного слоя б. Величины 5д и б рассчитывают по экспериментально найденным значениям предельной адсорбции Лео. Предельную адсорбцию Аоо определяют по изотермам адсорбции Г = /(с), для построения которых вычисляют несколько значений ёо/ёс. Для веществ с ярко выраженными поверхностно-активными свойствами величину адсорбции А можно принять равной гнбб-совской адсорбции Г (в молях на 1 м2 поверхности).
Площадь яо, приходящуюся на одну молекулу в насыщенном адсорбционном слое, вычисляют по уравнению
44
Толщину адсорбционных слоев б рассчитывают но формуле
А„М
(II. 23)
где М—молекулярная масса ПАВ; р— плотность ПАВ,
Сопоставление вычисленных значений толщины слоя б с длиной ориентированных молекул дает возможность оценить тип поверхностной пленки, определить ориентацию молекул ПАВ в адсорбционном слое.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Для проведения работы необходимы:
Установка для измерения поверхностного натяжения. Бюретки. ,
Конические колбы емкостью 50 мл. Фильтровальная бумага.
0,2М растворы пропилового, бутилового и пентилового спиртов.
Готовят 5 водных растворов пропилового, бутилового и пентилового спиртов разбавлением исходных растворов водой в соответствии с данными:
