Вычисление параметров адсорбционного слоя поверхностно-активных веществ

В соответствии со строением адсорбционного слоя ПАВ параметры слоя соответствуют размерам молекул ПАВ.

ii Строение адсорбционного слоя ПАВ рассмотрено в подпараграфе 7.3.2.

Насыщенный адсорбционный слой формируется при предельном значении адсорбции Г",. По значению предельной адсорбции в начале XX в. американскому ученому И. Ленгмюру удалось определить размеры молекул.

? ?О Ленгмюре и его теории мономолекулярной адсорбции см. в подпараграфе 7.4.2.

По мере развития науки размеры молекул стали определять другими методами, результаты которых подтвердили достоверность полученных ранее данных.

Исторический экскурс

В 1909 г., когда Ленгмюр начал наблюдать за поведением веществ на поверхности жидкости, существование молекул не было общепринятым фактом. Наблюдая за пленками обыкновенного смазочного масла, плававшими в тазу с водой, Ленгмюр впервые высказал идею о том, что такая пленка будет распространяться по поверхности жидкости, пока не достигнет толщины в одну молекулу. Сила сцепления молекул не позволит пленке растекаться дальше этого предела.

Ленгмюр рассуждал следующим образом: «Молекула… может принимать различные формы, в которых атомы углерода всегда расположены в одну линию. Поэтому, когда вы сжимаете пленку… цепи приобретают вертикальное положение. Тогда молекулы займут минимальную площадь… Измерение этой площади дает возможность высчитать их поперечное сечение. Объем, поделенный на площадь, равен толщине, так что можно высчитать толщину». Однако толщина пленки в этом случае равна длине одной молекулы. «Общая площадь, поделенная на количество молекул, равна площади, занимаемой каждой молекулой».

Подобные измерения, начатые в 1917 г., позволили Ленгмюру точно определить размеры многих молекул.

Следуя логике рассуждений Ленгмюра, но значению Г_м можно вычислить площадь со, занимаемую одной молекулой ПАВ в монослое: произведение где N_a — число Авогадро 6,02 • 10²³ [молекул/моль] соответствует числу молекул, приходящихся на 1 м² поверхности адсорбента. Обратная величина равна площади, занимаемой одной молекулой адсорбата:

Толщину адсорбционного слоя б, которая будет соответствовать длине молекул (вследствие вертикальной ориентации молекул в мономолеку;

лярном слое), можно вычислить, зная плотность растворенного вещества р и его молекулярную массу М:

Пример 7.2. При изучении адсорбции изоамилового спирта получено значение = 7,79 • 10~⁶ моль/м². Плотность изоамилового спирта — 812 кг/м³, М = = 88 г/моль = 88 • 10 ³ кг/моль. Параметры монослоя:

Площадь, занимаемая гидрофильной частью молекул ПАВ, не зависит от длины углеводородного радикала, т. е. гидрофобной части молекулы. Так, например, гидрофильная часть алифатических спиртов определяется гидроксильной группой —ОН, и их предельная адсорбция (выраженная в моль/м²) будет одинакова для всего ряда. Площадь оэ, занимаемая молекулой в адсорбционном слое, для всех спиртов будет также одинакова и равна 0,213 нм², или 21,3 • 10^-20 м². Для всех жирных кислот (например, уксусной, пропионовой, масляной, валериановой, капроновой, гептановой), несмотря на различие углеводородной части, площадь поперечного сечения молекул в адсорбционном насыщенном слое составляет 20,5 • 10^-20 м², а для сложных эфиров — 22 • 10 ²⁰ м².

Интерактивный компонент

Используя представления о строении поверхностного слоя, оценить площадь масляного пятна при растекании нефти по поверхности воды.

Максимально большое пятно образуется при условии, что вся нефть растечется в виде моиомолекулярного слоя. Нефть, из которой в дальнейшем получают керосин, имеет состав С₉Н₂о-С₁₆Н₃₄, т. е. молекулярную массу 128—370 (среднее значение 250 г/моль = 0,25 кг/моль). Если одна молекула занимает площадь 20 • 10 ²⁰ м², то разлив 2,5 кг нефти (10 моль) образует пятно площадью.

В действительности из-за естественного и искусственного ограничений растекания пленка нефти на воде оказывается в несколько раз толще, а следовательно, несколько меньше по площади. Кроме того, нефть частично растворяется в воде, окисляется и образует водонефтяную эмульсию, которую и собирают при ликвидации экологических катастроф.