Поверхностные явления. Лекция 15

Тончайший мономолекулярный слой, расположенный на границе раздела двух фаз, накапливает огромный

Поверхностное натяжение, адсорбция, адгезия и другие процессы, протекающие на границе раздела

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 –

План

15.1 Поверхностная энергия и поверхностное натяжение
15.2 Адсорбция и ее виды
15.3 Адсорбция

15.1Энергетическое состояние молекул вещества в межфазном поверхностном слое и в глубине

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

На молекулу воды, находящуюся в глубине фазы, действуют силы межмолекулярного взаимодействия

f1

пар

жидкость

∑f1= 0

Межмолекулярные силы, действующие на молекулу в глубине фазы, скомпенсированы

Молекула на границе раздела фаз в большей степени испытывает действие межмолекулярных

f2

f1

f3

пар

жидкость

Межмолекулярные силы, действующие на молекулу, находящуюся на межфазной поверхности, нескомпенсированы.

Сила f3 создает внутреннее (межмолекулярное) давление жидкости, которое для воды составляет

Вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия, поверхностный слой имеет избыточную свободную энергию

где S – площадь поверхности раздела фаз, м2
σ – коэффициент пропорциональности,

Gs Дж Н
σ = , =
S м2

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

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

Чем выше полярность жидкости, тем больше ее поверхностное натяжение, т.к. с

Поверхностное натяжение жидкостей при 298 К

Поверхностное натяжение – важная характеристика биологических жидкостей.
В норме σ крови

Измерение поверхностного натяжения крови - важный диагностический тест.

Изменения σ сыворотки крови свидетельствует о наличии онкологических заболеваний, анафилактическом шоке

Наиболее принятым методом определения поверхностного натяжения является сталогмометрический метод.

Согласно второму закону термодинамики Gs → min. Это стремление реализуется:

а) за

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

Активирован-ный уголь

Молекулы газа

При адсорбции различают два понятия:
Адсорбент,
Адсорбат.

Адсорбент – вещество, на поверхности которого идет адсорбция. Адсорбат – вещество,

Адсорбция (Г) выражается в г/м2 или моль/м2 и рассчитывается по формулам:

Г

В зависимости от природы сил, действующих между адсорбентом и адсорбатом, различают

Физическая адсорбция обусловлена межмолекулярным взаимодействием (силы Ван-дер-Ваальса). Энергия этих взаимодействий невелика

Для физической адсорбции характерны:
обратимость: одновременно с адсорбцией протекает десорбция,
неспецифичность:

В соответствии с принципом
Ле Шателье, протеканию физической адсорбции способствует:
понижение

Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется при взаимодействии адсорбента с адсорбатом с образованием

Энергия связи при хемосорбции составляет 40-400 кДж/моль, что делает ее практически

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

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

15.3 При растворении в воде какого-либо вещества может наблюдаться:
А) понижение ее

Б) повышение ее поверхностного натяжения. Такие вещества называются
поверхностно-инактивными (ПИВ); к

В) поверхностное натяжение жидкости не изменяется. Такие вещества называются поверхностно-неактивными (ПНВ).

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

Классификация ПАВ

ПАВ

Электролиты

Неэлектролиты

(ионогенные)

(неионогенные)

Ионогенные ПАВ делятся на:
Катионоактивные:
Соли и гидроксиды алкиламмония

Например, цетилтриметил аммоний бромид, используемый как антисептик

[CH3- (CH2)15N (CH3)3]Br

2) Аниононоактивные:
Соли карбоновых кислот
R-COOMe,
Соли сульфокислот
R-SO3Me

К неионогенным ПАВ относятся:
Карбоновые кислоты R-COOH,
Сульфокислоты R - SO3H,
Спирты

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

В соответствии с правилом «Подобное стремится к подобному», гидрофобные радикалы направлены

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

С (ПАВ)

Г моль
м2

Изотерма адсорбции ПАВ

Гmax

Гmax – максимальная адсорбция, соответствующая

Зная Гmax можно рассчитать
а) длину молекулы ПАВ (ℓ)

ℓ =

Г max

б) площадь, занимаемую молекулой ПАВ на границе раздела фаз (s):

s =

Важнейшей характеристикой ПАВ является их поверхностная активность (g):

g =

Δσ

ΔC

где Δσ

Правило Дюкло-Траубе (1888): с увеличением длины гидрофобного радикала на группу -CH2-

Правило выполняется для членов одного гомологического ряда: спиртов, аминов, карбоновых кислот

Сn

Сn+1

Сn+2

C ПАВ

σ,
Н
м

Семейство изотерм поверхностного натяжения гомологов

Семейство изотерм адсорбции гомологов

С ПАВ

Г

моль

м2

Сn+2

Сn+1

Сn

Зависимость адсорбции ПАВ от их концентрации в растворе описывается уравнением Гиббса

Влияние концентрации ПАВ на поверхностное натяжение растворов описывается уравнением Шишковского (1909):

σ

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

Жир

2) Как антисептики в хирургии:
антимикробная активность ионогенных ПАВ значительно выше (до

Обеззараживающее действие ПАВ объясняют их влиянием на проницаемость клеточных мембран микроорганизмов,

3) Для производства липосом

Липосома (греч. «липос» - жир, «сома» - тело)

Липосомы применяются для направленной доставки лекарственного препарата к пораженным органам и

Липосомы могут переносить широкий круг фармакологически активных веществ: противоопухолевые и противомикробные

При этом препарат не отравляет здоровые ткани человека.

Как носители лекарств, наиболее широкое применение липосомы получили в онкологии и