Поверхностно-активные и поверхностно-неактивные вещества

Растворение многих органических веществ – мыл, детергентов (моющие средства), спиртов, аминов, жирных кислот – в воде даже в малых концентрациях влечет за собой значительное понижение поверхностного натяжения. Эти вещества называются поверхностно-активными (ПАВ) по отношению к воде. Такие вещества дифильны, т.е. молекулы их построены из двух частей: полярной ( гидрофильной ) группы (–СООН, –ОН, –NH₂), имеющей сродство к воде, и неполярного углеводородного ( гидрофобного ) радикала. Дифильные молекулы поверхностно-активного вещества изобра-жают общепринятым символом: ¾ , где кружок обозначает полярную группу, а черточка – неполярный радикал.

Рис. 9.17. Схема мономолекулярной адсорбции карбоновых кислот

Большой поверхностной активностью (адсорбционной способнос-тью) обладают карбоновые кислоты и их соли. Наличие в молекулах карбоксильной группы, содержащей ионы водорода или металла, сообщает им сродство к полярной среде (вода, спирты и т.п.), а наличие развитого углеводородного радикала сообщает сродство к неполярной среде (углеводороды, воздух и т.п.). В связи с этим молекулы карбоновых кислот и их солей скапливаются на поверхности раздела фаз, ориентируясь полярной частью к полярной среде, а неполярной – к неполярной (рис. 9.17).

В бензоле, являющемся неполярной жидкостью, ориентация молекул карбоновой кислоты будет противоположной: к бензолу будет обращен радикал, а полярная группа будет «вытолкнута» в воздух.

Рис. 9.18. Зависимость поверхностного натяжения раствора от его концентрации (изотерма поверхностного натяжения): 1 – изотерма для ПАВ; 2 – то же для поверхностно-неактивных веществ; 3 – то же для вещества, не влияющего на поверхностное натяжение.

На рис. 9.18 приведены изотермы поверхностного натяжения – кривые, характеризующие изменение поверхностного натяжения раствора при повышении концентрации растворенного вещества. При повышении концентрации поверхностно-активного вещества (кривая 1) изотерма сначала круто падает почти по прямой. Наличие этого участка на изотерме определяется тем, что сначала вся поверхность раздела жидкость – воздух свободна от повер-хностно-активного вещества и небольшие его количества, присутствующие в растворе, целиком уходят на поверхность (рис 9.18, а). Затем следует криволинейный участок изотермы (рис. 9.19, кривая 1), отвечающий средним концентрациям поверхностно-активного вещества. С повышением концентрации усиливается взаимодействие углеводородных цепей, что благоприятствует их ориентации (рис. 9.19, б), а при насыщении до предела поверхностного слоя образуется мономолекулярный слой ориентированных молекул (рис. 9.19, в). На изотерме большим концентрациям отвечает почти горизонтальный участок, показывающий, что поверхностное натяжение не зависит от концентрации (рис. 9.18, кривая 1). При таких условиях на поверхности жидкости образуется сплошной «молекулярный ковер» из молекул адсорбированного вещества и дальнейшая адсорбция уже невозможна. Поверхностное натяжение раствора приближается к поверхностному натяжению чистого ПАВ.

При повышении концентрации поверхностно-неактивного вещества в растворе (рис. 9.18, кривая 2) изотерма полого поднимается. Это объясняется тем, что поверхностно-неактивные вещества, благодаря большому поверхностному натяжению и хорошей растворимости в воде, уходят в объем, а на границе раздела фаз жидкость – воздух имеется лишь сравнительно небольшая часть этого вещества, попадающая туда в результате диффузии из объема раствора.

Рис. 9. 19. Схема ориентации молекул ПАВ в поверхностном слое

Наконец, при повышении концентрации веществ, не влияющих на поверхностное натяжение (рис. 9.18, кривая 3), изотерма, естественно, представляет собой прямую, параллельную оси концентрации.