Введение

Одним из важнейших разделов физической химии является раздел, посвященный поверхностным явлениям, происходящим на границе раздела фаз. Основное понятие химии поверхностных явлений – Адсорбция. Адсорбция – это поглощение вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем твердого тела или жидкости. Она сопровождается изменением концентрации вещества (адсорбата) в поверхностном слое по сравнению с объемной фазой и вызывается физико–химическим взаимодействием адсорбата и поверхности (адсорбента). Мерой адсорбции служит избыточное содержание компонента в поверхностном слое. В зависимости от природы граничащих поверхностей (твердое – жидкость, жидкость – жидкость, жидкость – воздух и пр.) используются различные подходы к оценке степени адсорбции. Так, например, мерой поверхностного избытка компонента на границе воздух – жидкость служит величина поверхностного натяжения жидкости, поэтому необходимо овладеть основными приемами его определения. Для пищевых технологий очень важно знать физико-химические основы процесса адсорбции на границе твердое тело – жидкость, так как этот вид адсорбции широко используется для осветления сахарных сиропов, очистки виноматериалов, разделения органических веществ разной природы и т. д. Предлагаемый цикл лабораторных и практических занятий предполагает усвоение основных законов и понятий химии поверхностных явлений и ознакомление с некоторыми экспериментальными методами их изучения.

1. Лабораторная работа №1

Методы измерения поверхностного натяжения жидкостей

1.1. Цель и задачи работы

Освоить лабораторные методы определения поверхностного натяжения жидкостей: а) сталагмометрический метод, б) метод капиллярного поднятия, в) метод двойного капилляра.

Научиться рассчитывать поверхностное натяжение чистых жидкостей и растворов на основе экспериментальных данных.

1.2. Основные сведения о методах определения поверхностного натяжения жидкостей

Поверхностное натяжение σ (Н/м или Дж/м2) – важнейшая молекулярная константа, характеризующая полярность жидкости при постоянной температуре. В учении о поверхностных явлениях понятие «полярность» означает интенсивность поля молекулярных сил. Эта характеристика межмолекулярного сцепления связана с такими параметрами жидкости, как μ - дипольный момент, α - поляризуемость и ε - диэлектрическая проницаемость.

Существование избытка или сгущения свободной энергии на границе раздела фаз в поверхностном слое можно доказать различными способами. Энергетический подход: Средние значения равнодействующей сил взаимодействия молекулы в глубине жидкой фазы с окружающими молекулами равны нулю вследствие симметричности силового поля. На границе раздела с газом силы взаимодействия поверхностных молекул с жидкой фазой больше, чем с газообразной, поэтому равнодействующая направлена нормально к поверхности в сторону жидкой фазы. Чтобы вывести молекулу из глубины жидкой фазы к поверхности, необходимо совершить работу против межмолекулярных сил. Мерой работы образования единицы поверхности служит поверхностное натяжение:

, [Дж/м2] ,

Где dW – работа, заключающаяся в изменении площади поверхностного слоя на величину dS. Можно сказать, что Поверхностное натяжение представляет собой избыток свободной энергии, приходящейся на единицу поверхности раздела.

Силовой подход: Поверхностное натяжение – сила, стягивающая гипотетическую пленку на поверхности жидкости и противодействующая ее растяжению:

, [Н/м],

Т. е. свободная поверхностная энергия единицы поверхности равна силе, отнесенной к единице длины

Основные методы измерения поверхностного натяжения жидкостей можно разделить на 2 группы.

1. Статические:

· метод капиллярного поднятия;

· метод уравновешивания пластинки;

· метод лежачих или висячих капель или пузырька.

2. Полустатические:

· метод наибольшего давления в пузырьках (метод Ребиндера);

· метод подсчета количества капель при отрыве от конца капилляра (сталагмометрический).

Методы, имеющие дело с каплями, основываются на анализе отклонения формы капель от сферической под действием сил земного тяготения или центробежных сил. Другие методы основываются на законах смачивания поверхности твердых тел. Рассмотрим подробно два метода определения поверхностного натяжения жидкостей.

Метод капиллярного поднятия основан на изменении уровня жидкости в капиллярах за счет явления смачивания. Если погрузить в воду часть стеклянной капиллярной трубки, то в результате смачивания твердой поверхности образуется искривленная поверхность или мениск (рис. 1.1). Давление в жидкости под поверхностью мениска будет меньше, чем давление над плоской поверхностью. В результате возникнет выталкивающая сила, поднимающая жидкость в капилляре до тех пор, пока гидростатическое давление столба жидкости не уравновесит капиллярное давление.