Изучение характерных особенностей изотерм динамического поверхностного натяжения водных растворов ПАВ, полученных методом максимального давления в газовом пузырьке. Влияние температуры и концентрации ПАВ на мицеллообразование в коллоидном растворе.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Дипломная работа

на тему

Исследование динамического поверхностного натяжения водных растворов ПАВ методом максимального давления в газовом пузырьке



Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Релаксационное уравнение

1.2 Поверхностная электризация

1.3 Инверсии

1.3.1 Температурная инверсия динамического поверхностного натяжения

1.3.2. Концентрационная инверсия динамического поверхностного натяжения

2. Практическая часть

2.1 Метод максимального давления в газовом пузырьке

2.2 Экспериментальная часть

Выводы

Приложение

Литература



Введение

Поверхностно-активными называют вещества, способные понижать поверхностное натяжение раствора. Однако данное свойство весьма универсально и поэтому на практике название ПАВ часто применяется к дифильным веществам, как наиболее универсально обладающим данным свойством. На их обширное применение может указать хотя бы соответствующая классификация: моющие средства, эмульгаторы, смачиватели, гидрофобизаторы, солюбилизаторы, пенообразующие агенты, антивспениватели - отсюда немаловажно и их исследование.

По мере увеличения концентрации и химического потенциала ПАВ усиливается взаимодействие между молекулами (ионами) ПАВ в растворе, возрастает доля агрегированного вещества. Поначалу преобладают мелкие, всё увеличивающиеся в числе агрегаты (ассоциаты), но по достижении некоторой концентрации, называемой критической концентрацией мицеллообразования (KKM), происходит переход к образованию значительно более крупных и компактных агрегатов - мицелл, которые оказываются термодинамически более устойчивыми. Мицеллы могут возникать как в водной (прямые мицеллы), так и в масляной (обратные мицеллы) средах, но не все ПАВ способны к мицеллообразованию. Само это явление выделяет большую группу мицеллообразующих (коллоидных) ПАВ (ионных и неионных), молекулы которых не только хорошо сбалансированы, но и обладают мощными «плечами» ГЛБ, в частности сильными полярными группами, а также пространственной структурой, подходящей для упаковки в мицеллы [1].

Необходимо, однако, подчеркнуть, что под KKM следует понимать не точку, а узкую концентрационную область, в пределах которой интенсивно нарастает мицеллообразование. Также следует упомянуть, что узкую температурную область, соответствующую месту изгиба на кривой растворимости ПАВ, называют точкой Крафта. Точка Крафта является низкотемпературной границей области существования мицелл, т.е. в более холодных растворах данного вещества мицеллы не образуются.

Целью данной работы является исследование изотерм динамического поверхностного натяжения водных растворов некоторых ПАВ на предмет наличия характерных особенностей. Изотермы динамического поверхностного натяжения получены методом максимального давления в газовом пузырьке, что отражено в названии работы.



1. Обзор литературы

1.1 Релаксационное уравнение

Уравнение адсорбции для неравновесной поверхности

Как указано в работе [2] существуют более ранние работы, в которых в рамках термодинамики необратимых процессов был исследован наиболее общий и часто встречающийся на практике случай адсорбции и одновременной поляризации свежей поверхности раствора вследствие ориентации полярных молекул и образования двойного слоя. Если последний формируется естественным образом в ходе адсорбции ионов и не требует для своего описания дополнительных переменных, то процесс ориентации полярных молекул вносит свою специфику и определённые сложности в термодинамику поверхностных явлений.

Как показал Санфельд, для описания ориентации диполей достаточно шести переменных, например средних составляющих дипольного момента и его квадрата или модуля . В многослойной модели Дефэя многокомпонентная двухфазная система жидкость- газ с плоским поверхностным слоем разбивается на элементарные слои (причём в пределах каждого слоя электрохимические (химические) потенциалы полагаются постоянными), обобщенное адсорбционное уравнение для неравновесной поверхности имеет вид

где - избыток энтропии на единицу поверхности,

T - температура, A - площадь поверхности,

и - - адсорбция и электрохимический потенциал частиц сорта

- число частиц i в подслое k поверхностного слоя,

и - средняя составляющая дипольного момента молекул сорта i в направлении и соответствующее сродство.

и - средняя квадратичная составляющая дипольного момента молекул сорта i и соответствующее сродство.

Разность играет роль адсорбционного сродства для k-го элементарного слоя в межфазной области. Индекс б относится к объёмной фазе б (жидкому раствору). Две последние суммы в правой части уравнения (1) обусловлены существованием неравновесных процессов. При равновесии они исчезают, и (1) переходит в уравнение адсорбции Гиббса. Уравнение (1) может использоваться, с одной стороны, как релаксационное уравнение для свежей поверхности и, с другой, как уравнение, описывающее зависимость поверхностного натяжения от параметров состояния, в частности, от концентрации ПАВ.

Релаксационное уравнение свежей поверхности

Применительно к процессу релаксации поверхности при заданном составе и состоянии объёмной фазы б уравнение (1) заметно упрощается. Исчезают первые два члена в правой части, поскольку температура и химические потенциалы фазы б фиксированы. В едином процессе релаксации величины можно считать пропорциональными (фактически имеется лишь одна составляющая в направлении нормали z к поверхности, так как и , и равны нулю по условиям симметрии). Учитывая также, что каждое ориентационное сродство пропорционально скорости изменения соответствующей переменной, вытекающее из (1) релаксационное уравнение можно записать в виде

(2)

где t - время,

- некоторые постоянные.

В правой части релаксационного уравнения (2) имеется два члена: диффузионный и ориентационный. Величина связана с дипольной частью поверхностного потенциала ч соотношением электростатики

(3)

Поскольку ориентация осуществляется главным образом в поверхностном монослое, можно считать . Упрощая задачу, предположим, что ориентируется только один компонент, т.е. . Тогда из уравнения (3) получим

(4)

где - число молекул в монослое. В этой модели из уравнения (2) имеем

(5)

Здесь C - равна величине в модели монослоя с одним компонентом.

Уравнение (5) можно использовать для получения соотношения между динамическим поверхностным натяжением и неравновесным поверхностным электрическим потенциалом. Рассмотрим два предельных случая: когда действует только ориентационный или только диффузионный механизм релаксации.

а. Ориентационный механизм релаксации

Предположим сначала, что процесс ориентации происходит намного медленнее диффузии ионов и молекул и практически осуществляется в условиях диффузионного равновесия Очевидно, постоянство электрохимических потенциалов в поверхностном слое поддерживается изменением числа адсорбированных ионов и молекул в ходе ориентации. Но если рассматривается состояние релаксации, близкое к равновесному (что и наблюдается в эксперименте), когда адсорбционный слой стал уже достаточно плотным, можно принять

и

Тогда уравнение (5) с учетом (4) может быть записано так:

(6)

Отсюда следует соотношение

(7)



которое показывает, что при , так как .

б. Ионио-диффузионвый механизм релаксации

Предположим теперь, что диффузия полярных молекул и их ориентация -- очень быстрые процессы, а лимитирующей стадией релаксации является образование ионного двойного слоя.

В этом случае из уравнения (5) получаем

(8)

где суммирование по i относится к ионам. Используем стандартные выражения для электрохимических потенциалов

(9)

где м_i -- химический потенциал, q_i --заряд иона, ц -- электрический потенциал в месте нахождения иона. Подставив(9)в(8)и разделив на dч, получим

(10)

где q^k - заряд элементарного слоя к на единицу поверхности,

В правой части релаксационного уравнения (10) два члена. Первый описывает влияние адсорбции ионов (в ходе которой формируется поверхностный потенциал ч) на распределение химических потенциалов в двойном слое. Производная должна быть особенно велика для массивных поверхностно-активных ионов на стадии формирования адсорбционного монослоя. Если эта стадия опережает процесс образования равновесного диффузионного слоя противоионов, то на конечной стадии...