Свойства ПАВ

15.07.2019

Вещества, растворенные в жидкости, могут равномерно распределяться в се объеме, концентрироваться в поверхностном слое жидкости (тогда они называются поверхностно-активными) или, наоборот, располагаться внутри жидкости (поверхностно-инактивные вещества). Такие особенности зависят от молекулярной природы растворенных веществ и их строения, а также от молекулярной природы твердых тел, несмешивающихся жидкостей или газов, составляющих смежную фазу. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) отличаются способностью концентрироваться на поверхности раздела фаз и образовывать тонкие адсорбционные слои, которые оказывают заметное влияние на свойства вещества.

Молекулы ПАВ состоят из гидрофильной и гидрофобной частей. При контакте водных растворов ПАВ с твердыми веществами (например, горными породами), которые имеют небольшое сродство с водой, т.е. являются гидрофобными, молекулы ПАВ адсорбируются на гидрофобных поверхностях своими углеводородными (гидрофобными) частями. После насыщения гидрофобной поверхности горной породы мономолекулярным слоем ПАВ вода уже не соприкасается с твердой поверхностью, а отделена от нее слоем ПАВ. В сторону воды обращены гидрофильные части молекул ПАВ, к которым притягиваются молекулы воды. Таким образом, молекулы ПАВ становятся связывающим звеном между гидрофобными поверхностями частиц горных пород и водой. Если поверхность породы гидрофильна, то ПАВ гидрофобизируют ее, притягиваясь к ней своими гидрофильными участками.

При контакте двух несмешивающихся жидкостей, из которых одна является гидрофильной, а вторая гидрофобной, например вода и керосин, молекула ПАВ своей гидрофобной частью втягивается в керосин, а гидрофильная часть взаимодействует с водой. В результате появления связывающего звена молекул ПАВ поверхностное натяжение на границе этих двух жидкостей уменьшается. На границе воды с воздухом гидрофобная часть молекулы ПАВ взаимодействует с воздухом, а гидрофильная остается в воде.

Благодаря активному изменению природы поверхностей и характеру взаимодействия между фазами появляется возможность путем сравнительно небольших добавок ПАВ изменять ход физико-химических процессов и управлять технологическими процессами.

Активность ПАВ оценивается величиной адсорбции, т. е. избытка ПАВ на поверхности раздела по сравнению с общей концентрацией в растворе. Адсорбция ПАВ в поверхностном слое вызывает понижение поверхностного натяжения о. Связь между поверхностным натяжением и адсорбцией Г для сильно поверхностно-активных ПАВ определяется уравнением Гиббса
Свойства ПАВ

где с — концентрация вещества в одной из фаз, образующих поверхность раздела (молярная); R — газовая постоянная; T — абсолютная температура в ° К.

Высокоэффективные ПАВ, например олеат натрия, снижают поверхностное натяжение воды на границе с воздухом с 72,8 до 25— 35 дин/см2, причем концентрация ПАВ в поверхностном слое оказывается в десять тысяч раз больше, чем его концентрация в объеме.

Большинство химических реагентов, применяемых для регулирования свойств промывочных жидкостей, являются в той или иной степени поверхностно-активными веществами. Однако поверхностная активность большинства из них сравнительно невелика, а некоторые являются поверхностно-инактивными. Мы будем рассматривать только сильно поверхностно-активные вещества, для которых способность резко снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз является основным и специфическим свойством.

Неорганические соли — электролиты (NaCl, KCl, CaCl2) на границе вода—воздух являются поверхностно-инактивными, т. е. повышают, хотя и незначительно, поверхностное натяжение воды на границе с воздухом. Следовательно, в водных растворах электролитов вода является поверхностно-активным веществом, так как концентрируется в поверхностном слое.

Классификация поверхностно-активных веществ осуществляется по следующим признакам.

1. По химическому состоянию: неионогенные и ионогенные; последние в свою очередь подразделяются на анионоактивные и катионоактивные.

Ионогенные ПАВ в отличие от неионогенных диссоциируют в воде на анионы и катионы. При диссоциации анионоактивных веществ образуются поверхностно-активные анионы, обладающие более высоким молекулярным весом, и обычно неорганические катионы (Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и т. п.). Катионоактивные ПАВ, наоборот, диссоциируют на крупные поверхностно-активные катионы и неорганические анионы (Cl-, SO4-).

2, По коллоидно-структурному признаку: вещества, растворимые в данном растворителе до молекулярного или ионного состояния; вещества, растворимые до коллоидного состояния (молекулярные или ионные мицеллы) и нерастворимые в данном растворителе.

По механизму действия поверхностно-активные вещества в соответствии с классификацией П.А. Ребиндера разделены на четыре группы.

К первой группе относятся вещества, концентрирующиеся на поверхности раздела жидкость—газ (вода—воздух). Они не образуют коллоидных растворов ни на поверхности, ни в объеме. Типичными представителями ПАВ первой группы являются спирты, которые снижают поверхностное натяжение воды на границе с воздухом с 72,8 до 30—50 дин/см при 20° С.

ПАВ первой группы вызывают слабое вспенивание и поэтому применяются для образования неустойчивой пены при флотации. Эти вещества применяются в качестве пеногасителей. Механизм пеногашения заключается в том, что ПАВ первой группы вытесняют менее поверхностно-активные вещества, но содержащие пленки с более высокой структурной прочностью. Так как сами ПАВ первой группы не образуют структурированных пленок, то пузырьки газа, лишенные защиты, сливаются при столкновениях (коалесцируют) и всплывают.

Во вторую группу входят ПАВ, адсорбирующиеся на границе двух жидкостей и на границе жидкость — твердое тело. Они не образуют структур ни в объеме, ни на поверхности.

Такие вещества адсорбируются на поверхностях тел, в результате чего понижается свободная поверхностная энергия твердого тела или жидкости и облегчается возможность образования новых поверхностей. Следовательно, ПАВ второй группы являются диспергаторами. Поверхностно-активные вещества второй группы, адсорбируясь на участках поверхности твердых тел, обладающих дефектами (микротрещины, разрывы), вызывают понижение, прочности тела и способствуют его разрушению. Такие ПАВ могут способствовать самопроизвольному диспергированию твердых тел в результате понижения поверхностного натяжения до очень низких значений.

Так как ПАВ второй группы не обладают структурообразующей способностью, то эти вещества, вызывая диспергирование, не могут служить стабилизаторами. В то же время они могут служить деэмульгаторами. В этом случае они вытесняют менее поверхностноактивные вещества с поверхности капелек, и так как они не образуют структурированных пленок, то облегчается коалесценция капелек эмульгированного вещества.

В третью группу входят поверхностно-активные вещества, образующие гелеобразную структуру в адсорбционном слое и в растворе и являющиеся стабилизатором суспензий, т. е. предотвращающие коагуляцию частиц. Механизм действия ПАВ третьей группы заключается в создании структурированных защитных оболочек на поверхностях частиц твердых тел и капель жидкости, препятствующих непосредственному контакту между частицами. В то же время сами защитные оболочки не связываются друг с другом, и следовательно, не происходит так называемой вторичной коагуляции.

Обычно поверхностная активность таких веществ невелика. ПАВ третьей группы образуют в растворе крупные мицеллы и макромолекулы и поэтому доступ этих молекул к микротрещинам и другим дефектам поверхности затруднен. Следовательно, ПАВ третьей группы не могут служить пептизаторами.

Четвертую группу составляют моющие вещества, которые должны обладать всеми свойствами, характерными для трех предшествующих групп ПАВ: понижать поверхностное натяжение на границе вода—воздух, гидрофилизировать и смачивать поверхности и образовывать структуры в объеме и поверхностных слоях. Следовательно, ПАВ четвертой группы являются одновременно и диспергаторами, и стабилизаторами суспензий и эмульсий. В небольших количествах ПАВ четвертой группы являются гидрофобизаторами (за исключением неионогенных), а при некотором увеличении их количества проявляют моющие свойства.

Свойства поверхностно-активных веществ зависят от соотношения между гидрофильной и гидрофобной частями. Гидрофобная часть состоит из углеводородов, гидрофильная — включает группы —COO-, —SO3-, полугидрофильные остатки — CH2—CH2—О—CH2—CH2O или многократно повторяющиеся группы, содержащие азот,— NH2, —NH- и т. д.

Гидрофобные свойства молекул зависят от состава и длины углеводородной части. Обычно длина гидрофобной части молекул ПАВ равна 15—13 А. Гидрофильные свойства зависят от величины и состава гидроксильных, карбоксильных и сульфогрупп (особенно последних), а также от полярности этих групп. Полярность характеризуется величиной электрического диполя, т. е. произведения электрического заряда на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов. Карбоксильная группа обладает невысоким дипольным моментом, равным 1,51 D. Дипольный момент воды равен 1,84 D. Следовательно, у карбоксильной группы жесткая структура и незначительная растворимость в воде. Сульфонатная и сульфатная группы повышают дипольный момент и улучшают растворимость. Кроме того, сульфаты и сульфонаты не гидролизуются, что повышает химическую устойчивость самого ПАВ.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна