Адсорбция на границе раздела фаз жидкость газ

Калмыков П.

Работа №3

Адсорбция на границе раздела фаз жидкость – газ.

Цель работы:

Определение поверхностного натяжения растворов. Построение изотермы поверхностного натяжения s=f(с) . Расчет величин адсорбции Г при различных концентрациях вещества. Построение изотермы адсорбции Г= f(с) . Графическое определение постоянных уравнения Ленгмюра (k и Г _¥ ) и расчет толщины адсорбционного слоя d и поверхности, занимаемой одной молекулой q .

Теоретическая часть:

Поверхностная энергия.

Поверхность раздела фаз всегда является источником силового поля вследствие нескомпенсированности молекулярных сил в межфазном поверхностном слое. Для перемещения отдельной молекулы жидкости из объема на поверхность необходимо совершить работу для преодоления этих сил, направленных внутрь фазы с большим межмолекулярным притяжением. Поэтому вопрос образования новой поверхности всегда связан с затратой работы. Эта работа определяет избыток свободной энергии F^s на поверхность раздела фаз по сравнению с энергией в объеме. Этот избыток, отнесенный к единице поверхности, называется удельной свободной энергией и обозначается s (Дж/м² ).

Коллоидные системы, являясь микрогетерогенными системами, имеют большую поверхность раздела фаз S и обладают значительной поверхностной свободной энергией Гельмгольца

А^s =s×S (1)

Большая величина А^s коллоидных систем определяет ее термодинамическую неустойчивость. Поэтому в коллоидных системах могут протекать процессы, сопровождающиеся уменьшением А^s . Из уравнения (1) следует, что уменьшение А^s может происходить как за счет уменьшения s, так и величины поверхности S. Снижение s происходит за счет адсорбции, концентрации вещества в поверхностном слое, определяемой избыточной по сравнению с объемной фазой количества вещества, приходящейся на единицу поверхности, Г :

(2)

где с₀ и с — концентрации вещества в поверхностном слое и объемной фазе; V_n — объем поверхностного слоя. Величина Г имеетразмерность.

Взаимосвязь Г и s определяется уравнением Гиббса:

(3)

где c — равновесная концентрация растворенного вещества, моль/л; R — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль× К); Т — абсолютная температура.

Другой путь снижения избыточной поверхностной энергии А ^s — снижение площади поверхности S . Величина S может уменьшаться вследствие явлений слипания коллоидных частиц (коагуляция, структурирование и рекристаллизация). Этот путь ведет к гибели дисперсной системы.

Из уравнения (3) следует, что определение величины адсорбции сводится к экспериментальному изучению зависимости удельной поверхностной энергии s от концентрации вещества в объемной фазе: . Величину называют поверхностной активностью. Она характеризует способность вещества изменять удельную поверхностную энергию. Вещества, понижающие s, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ); для них g >0, следовательно Г >0 (положительная адсорбция). К ПАВ относятся спирты, органические кислоты, сложные эфиры, мыла и т.д. Вещества, понижающие поверхностную энергию, называются поверхностно-инактивными (ПИНАВ); для них g <0 и Г <0 (отрицательная адсорбция). К ПИНАВ относятся растворы сильных электролитов.

Положительная адсорбция играет огромную роль в природных и промышленных процессах. Она является одной из стадий гетерогенно-каталитических процессов в химической промышленности, с помощью которых в настоящее время получают более 70% химических веществ. Учитывая огромное значение положительное адсорбции часто под адсорбцией понимают именно положительную адсорбцию. Зависимость удельной поверхностной энергии или поверхностного натяжения чистых жидкостей от температуры описывается основным уравнением термодинамики поверхностных явлений — уравнение Гиббса:

(4)

где S^s — избыток энтропии в поверхностном слое; Г _i и m _i — адсорбция и химический потенциал i -го компонента.

Если n =1 (система жидкость-пар), то

(5)

Многочисленные исследования показали, что S^s постоянна вплоть до критической температуры. Поэтому зависимость s от Т линейна (уравнение Этвеша):

s = (Т_с ^¢ - Т) × S^s (6)

где Т ^¢ _с — температура, близкая к критической.

В критической точке поверхностное натяжение, как было показано Менделеевым в 1860 г., обращается в ноль. Вместе с ним обращается в ноль и избыток энтропии в поверхностном слое. Зависимость поверхностного натяжения чистой воды от температуры, если температура далека от критической, выражается уравнением:

(7)

где — поверхностное натяжение воды при температуре Т; (Дж/м² ).

Капиллярное давление . Существование избытка свободной энергии у искривленной поверхности прив

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать