Презентация - Поверхностные явления. Адсорбция

Лекция 15 Поверхностные явления. Адсорбция

Тончайший мономолекулярный слой, расположенный на границе раздела двух фаз, накапливает огромный запас свободной поверхностной энергии (G s ) .

Поверхностное натяжение, адсорбция, адгезия и другие процессы, протекающие на границе раздела двух фаз, называются поверхностными явлениями.

Они осуществляются самопроизвольно за счет свободной поверхностной энергии.

Поверхностные явления играют важную роль в дыхании, пищеварении, экскреции.

Они протекают in vivo на развитых поверхностях раздела: поверхность кожи – 1,5 м 2 эритроцитов – 3000 м 2 альвеол – 1000 м 2

План 15.1 Поверхностная энергия и поверхностное натяжение 15.2 Адсорбция и ее виды 15.3 Адсорбция на границе жидкость-газ

15.1 Энергетическое состояние молекул вещества в межфазном поверхностном слое и в глубине фазы различно.

Рассмотрим состояние молекул в однокомпонентной двухфазной системе: вода – водяной пар.

На молекулу воды, находящуюся в глубине фазы, действуют силы межмолекулярного взаимодействия ( f 1 ), причем их равнодействующая равна нулю вследствие симметрии силового поля.

f 1 пар жидкость f 1 0 Межмолекулярные силы, действующие на молекулу в глубине фазы, скомпенсированы

Молекула на границе раздела фаз в большей степени испытывает действие межмолекулярных сил со стороны жидкой фазы ( f 1 ), чем со стороны газообразной ( f 2 ). Результирующий вектор силы (f 3 ) направлен внутрь жидкости.

f 2 f 1 f 3 пар жидкость Межмолекулярные силы, действующие на молекулу, находящуюся на межфазной поверхности, нескомпенсированы.

Сила f 3 создает внутреннее (межмолекулярное) давление жидкости, которое для воды составляет 14 000 атм/см 2 . Межмолекулярное давление - это причина того, что жидкости практически несжимаемы.

Вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия, поверхностный слой имеет избыточную свободную энергию (по сравнению с объемом жидкости): G s σ S

где S – площадь поверхности раздела фаз, м 2 σ – коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением.

G s Дж Н σ , S м 2 м Поверхностное натяжение – это поверхностная энергия единицы площади поверхности раздела фаз.

Поверхностное натяжение – важная характеристика жидкостей; оно зависит а) от температуры, б) от полярности среды.

С увеличением температуры поверхностное натяжение жидкостей уменьшается, т.к. разрывается часть связей межмолекулярного взаимодействия.

Чем выше полярность жидкости, тем больше ее поверхностное натяжение , т.к. с увеличением полярности возрастают силы межмолекулярного взаимодействия.

Жидкость ε σ 10 3 н/м H 2 SO 4 (безводная) 101 476 H 2 O 78,5 72,7 C 2 H 5 OH 24,3 22,3 C 6 H 14 1,89 18,4 Поверхностное натяжение жидкостей при 298 К

Поверхностное натяжение – важная характеристика биологических жидкостей. В норме σ крови равно 45,4 10 -3 н/м.

Измерение поверхностного натяжения крови - важный диагностический тест.

Изменения σ сыворотки крови свидетельствует о наличии онкологических заболеваний, анафилактическом шоке и других заболеваниях. Кроме того, поверхностное натяжение уменьшается с возрастом.

Наиболее принятым методом определения поверхностного натяжения является сталогмометрический метод .

Согласно второму закону термодинамики G s min. Это стремление реализуется: а) за счет уменьшения площади поверхности (стремление жидкости принять форму шара, слияние капель);

б) за счет адсорбции , т.к. при адсорбции уменьшается поверхностное натяжение жидкостей.

15.2. Адсорбцией называется концентрирование какого-либо вещества в поверхностном слое в результате самопроизвольного перехода его из объема фазы.

Активирован-ный уголь Молекулы газа

При адсорбции различают два понятия: Адсорбент , Адсорбат .

Адсорбент – вещество, на поверхности которого идет адсорбция. Адсорбат – вещество, которое концентрируется на поверхности адсорбента.

Адсорбция (Г) выражается в г/м 2 или моль/м 2 и рассчитывается по формулам: Г ν S m – масса адсорбата, г ν – количество адсорбата, моль S – площадь поверхности адсорбента, м 2 Г m S

В зависимости от природы сил, действующих между адсорбентом и адсорбатом, различают физическую и химическую адсорбцию.

Физическая адсорбция обусловлена межмолекулярным взаимодействием ( силы Ван-дер-Ваальса) . Энергия этих взаимодействий невелика и составляет 4-40 к Дж/моль.

Для физической адсорбции характерны: обратимость : одновременно с адсорбцией протекает десорбция, неспецифичность : она подчиняется правилу «подобное растворяется в подобном», экзотермичность (Δ адс Н О)

В соответствии с принципом Ле Шателье, протеканию физической адсорбции способствует: понижение температуры, увеличение концентрации адсорбата, повышение давления в системе (при адсорбции газа или пара).

Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется при взаимодействии адсорбента с адсорбатом с образованием химической (ковалентной) связи.

Энергия связи при хемосорбции составляет 40-400 к Дж/моль , что делает ее практически необратимой, специфичной и локализованной.

Повышение температуры усиливает хемосорбцию, что приводит к большому связыванию адсорбата.

По характеру межфазной поверхности различают адсорбцию, протекающую на границе раздела: А) жидкость/газ , Б) жидкость/жидкость , В) твердое тело/жидкость , Г) твердое тело/газ

15.3 При растворении в воде какого-либо вещества может наблюдаться: А) понижение ее поверхностного натяжения. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ);

Б) повышение ее поверхностного натяжения. Такие вещества называются поверхностно-инактивными (ПИВ); к ним относятся неорганические кислоты, основания и соли;

В) поверхностное натяжение жидкости не изменяется. Такие вещества называются поверхностно-неактивными (ПНВ) . К ним относятся глюкоза, сахароза и другие сахара.

ПИВ ПНВ ПАВ σ , н/м Концентрация Изотермы поверхностного натяжения

Поверхностно-активными (ПАВ) называются вещества, уменьшающие поверхностное натяжение жидкостей.

Их молекулы дифильны и ассиметричны ; они состоят из неполярного гидрофобного радикала и полярной гидрофильной группы:

Классификация ПАВ ПАВ Электролиты Неэлектролиты (ионогенные) (неионогенные)

Ионогенные ПАВ делятся на: Катионоактивные : Соли и гидроксиды алкиламмония

Например, цетилтриметил аммоний бромид , используемый как антисептик CH 3 - (CH 2 ) 15 N (CH 3 ) 3 Br

2) Аниононоактивные: Соли карбоновых кислот R-COOMe , Соли сульфокислот R-SO 3 Me

К неионогенным ПАВ относятся: Карбоновые кислоты R-COOH, Сульфокислоты R - SO 3 H, Спирты R - OH, Тиолы R - SH, Амины R – NH 2

Поверхностно-активными являются многие биоактивные соединения: Жиры, Фосфолипиды Желчные кислоты

В соответствии с правилом «Подобное стремится к подобному», гидрофобные радикалы направлены в неполярную фазу (воздух), а гидрофильные группы – в полярную (вода). В результате ПАВы концентрируются на границе раздела двух фаз.

Насыщен-ный слой Ненасыщен-ный слой «частокол Ленгмюра» Адсорбция ПАВ на границе жидкость-газ

Поскольку молекулы ПАВ менее полярны, чем молекулы воды, силы поверхностного натяжения в поверхностном слое уменьшаются .

С (ПАВ) Г моль м 2 Изотерма адсорбции ПАВ Г max Г max – максимальная адсорбция , соответствующая насыщенному монослою

Зная Г max можно рассчитать а) длину молекулы ПАВ ( ℓ) ℓ Г max M ρ ρ – плотность ПАВ, М- молярная масса ПАВ

б) площадь, занимаемую молекулой ПАВ на границе раздела фаз (s): s 1 Г max N A где N A – число Авогадро

Важнейшей характеристикой ПАВ является их поверхностная активность (g ): g Δσ Δ C где Δσ – уменьшение поверхностного натяжения жидкости при увеличении концентрации ПАВ на Δ С

Правило Дюкло-Траубе (1888): с увеличением длины гидрофобного радикала на группу - CH 2 - поверхностная активность ПАВ возрастает в 3-3,5 раза при одинаковой молярной концентрации.

Правило выполняется для членов одного гомологического ряда: спиртов, аминов, карбоновых кислот и т.д.

С n С n 1 С n 2 C ПАВ σ , Н м Семейство изотерм поверхностного натяжения гомологов

Семейство изотерм адсорбции гомологов С ПАВ Г моль м 2 С n 2 С n 1 С n

Зависимость адсорбции ПАВ от их концентрации в растворе описывается уравнением Гиббса (1878): Г d σ d с C ПАВ RT

Влияние концентрации ПАВ на поверхностное натяжение растворов описывается уравнением Шишковского (1909): σ σ о – а ln (1 b c ПАВ ) где a и b – параметры уравнения (табл . ), σ – поверхностное натяжение раствора, σ о -поверхностное натяжение растворителя

Для расчета адсорбции ПАВ используется объединенное уравнение Гиббса-Шишковского: Г a RT b c 1 b c

Применение ПАВ Как моющие средства: молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности жирного пятна, образуя гидрофильную систему, хорошо растворимую в воде.

Жир

2) Как антисептики в хирургии: антимикробная активность ионогенных ПАВ значительно выше (до 300 раз) активности традиционно используемого фенола.

Обеззараживающее действие ПАВ объясняют их влиянием на проницаемость клеточных мембран микроорганизмов, а также ингибирующим действием на ферментативные системы бактерий.

3) Для производства липосом Липосома (греч. «липос» - жир, «сома» - тело) – это надмолекулярная структура, состоящая из бислоя фосфолипидов и находящегося между ними раствора.

Липосомы применяются для направленной доставки лекарственного препарата к пораженным органам и тканям .

Липосомы могут переносить широкий круг фармакологически активных веществ: противоопухолевые и противомикробные препараты, гормоны, ферменты, вакцины, а также дополнительные источники энергии для клетки и генетический материал.

При этом препарат не отравляет здоровые ткани человека.

Как носители лекарств, наиболее широкое применение липосомы получили в онкологии и пульмонологии (лечение туберкулеза), т.е. в тех областях медицины, в которых используются наиболее токсичные лекарственные вещества.

Благодарим за внимание!!!