Поверхностные явления. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества (ПАВ и ПИВ). Правило Траубе-Дюкло.

Поверхностные явления. Поверхностная энергия и поверхностноенатяжение.

Поверхностный слой, возникающий на границе раздела различных фаз, согласно Гиббсу, представляет собой промежуточную фазу толщиной в несколько молекулярных диаметров. В этом слое свойства сильно различаются. В ряде случаев поверхностный слой имеет толщину, примерно равную диаметру молекулы, и в этом случае его называют мономолекулярным. Поверхностными явлениями называют процессы, происходящие на границе раздела фаз и обусловленные особенностями состава и строения поверхностного (пограничного) слоя. Все поверхности раздела в зависимости от агрегатного состояния граничных фаз делят на два типа:

   1) подвижные поверхности раздела между жидкостью и газом (ж-г) и двумя несмешивающимися жидкостями (ж-ж);

2) неподвижные поверхности раздела между твердым телом и  газом        (т-г), твердым телом и жидкостью (т-ж), твердым телом и твердым телом (т-т).

          Площадь поверхности раздела при данной массе возрастает с уменьшением размеров частей, на которые разделяется система.    Поверхностная энергия Гиббса системы пропорциональна площади межфазной поверхности:

G_s= σ•S,

гдеG_s-- поверхностная энергия Гиббса системы, Дж; σ -- коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением, Дж/м²;      S -- площадь межфазной поверхности, м.

Поверхностное натя­жение σ есть величина, измеряемая энергией Гиббса, приходящейся на единицу площади поверхностного слоя. Оно численно равно работе, которую необходимо совершить для образования единицы поверхности раздела фаз при постоянной температуре.

         Живые организмы представляют собой системы с очень развитыми поверхностями раздела, к которым относят кожные покровы, поверхность стенок кровеносных сосудов, слизистые оболочки, клеточные мембраны, мембраны ядер, митохондрий, лизосом и т. д. Так, например, поверхность кожи взрослого человека составляет 1,5-1,6 м

---

², площадь поверхности эритроцитов всей крови человека составляет 2500-3800 м², площадь поверхности капилляров печени -- около 400 м², площадь поверхности альвеол -- около 1000 м², поверхность скелета -- около 2 тыс. км² и т. д.

    Известно, что многие жизненно важные биохимические процессы в организме протекают на поверхности биологических мембран, поэтому для понимания их механизма необходимо знание основных закономерностей, которым подчиняются поверхностные явления.

Молекулы, атомы, ионы, находящиеся на поверхности раздела фаз, не равноценны по своему положению таким же частицам, находящимся в глубине фазы.

      Удобно рассмотреть в качестве примера некоторую жидкость, находящуюся в равновесии с собственным паром (см. рис. 1.):

Рис. 1. Межмолекулярные силы, действующие на молекулу в поверхностном слое и в объеме жидкости.

Молекулы, находящиеся внутри жидкости, окружены со всех сторон подобными. Силы, действующие на них со всех сторон, одинаковы, и равнодействующая этих сил F_м равна нулю. У молекул, находящихся на границе раздела фаз, силы, действующие со стороны жидкой и газообразной фаз, неодинаковы. Молекулярные взаимодействия в вертикальном направлении не уравновешены, Вследствие этого равнодействующая молекулярных сил F_м не равна нулю и направлена в глубь жидкой фазы. При выходе молекул на поверхность совершается работа W_s против этой силы.

 

    Таблица 1.Поверхностное натяжение различных жидкостей на границе с воздухом при 25°С (293 К).

 

Жидкость	σ, мДж/м2	Жидкость	σ , мДж/м2
Вода	72,8	Хлороформ	27,1
Глицерин	64,7	Этанол	22,3
Касторовое масло	36,4	Метанол	22,6
Уксусная кислота	27,6	Этиловый спирт	17,1
Оливковое масло	33,0	Сыворотка крови	45,4
Ртуть	436	Фенол	42,3
		Бензол	29,4

---

     В результате возникает поверхностный слой молекул с избыточной поверхностной энергией Гиббса.

    Из многочисленных методов измерения поверхностного натяжения в биохимических, физиологических и клинических исследованиях чаще всего используют сталагмометрический метод и метод продавливания пузырьков воздуха.

    Поверхностное натяжение у различных жидкостей колеблется в значительных пределах (табл. 1) и зависит от природы жидкости, ее температуры, давления, а для растворов и от концентрации растворенных веществ.

    Поверхностное натяжение на границе жидкость -- газ возрастает с увеличением взаимодействия между молекулами жидкости.

    Поверхностное натяжение жидкостей уменьшается с ростом температуры и вблизи критической температуры становится равным нулю (исчезает поверхность раздела фаз).

    С увеличением давления поверхностное натяжение на границе    жидкость -- газ уменьшается, так как возрастает концентрация молекул в газовой фазе и силаF_м уменьшается.

 

Поверхностные явления на границах раздела жидкость -- газ, жидкость -- жидкость. Поверхностная активность.

    Растворенные вещества могут повышать, понижать и практически не влиять на поверхностное натяжение жидкостей.

    Способность растворенных веществ изменять поверхностное натяжение растворителя называется поверхностной активностью.

Мерой поверхностной активности является отношение:

  g=-Δσ/Δc

    Поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-жидкость зависит от природы соприкасающихся фаз. Оно тем больше, чем меньше силы молекулярного взаимодействия между разнородными молекулами. Температура раствора и концентрация растворенных веществ оказывают такое же влияние на поверхностное натяжение на границе раздела жид­кость-жидкость, как и в случае границы раздела жидкость-газ. Давление практически не влияет на эту величину.

    Поверхностное натяжение биологических жидкостей используют в диагностических целях. Так, поверхностное натяжение плазмы крови подвержено значительным колебаниям при различных заболеваниях (анафилактический шок, рак и др.).

---

    С возрастом человека поверхностное натяжение сыворотки крови уменьшается. Поверхностное натяжение играет значительную роль в таких явлениях, как деление клеток, фагодитоз, пиноцитоз, амебоидное движение, изменение проницаемости клеточных мембран и др.

 

       Поверхностно-активные  и поверхностно-инактивные вещества (ПАВ и ПИВ). Правило Дюкло-Траубе.

   При растворении в данной жидкости какого-либо вещества наблюдают следующие случаи.

1) Растворенное вещество понижает поверхностное натяжение растворителя (σ_р-р < σ₀). Такие вещества получили название поверхностно-активных (ПАВ), так как для нихg> 0. По отношению к воде поверхностно-активными веществами являются многие органические соединения, например спирты и кислоты алифатического ряда, сложные эфиры, белки и др.

2) Растворенное вещество незначительно повышает поверхностное натяжение растворителя (σ_р-р > σ₀). Такие вещества называют поверхностно-инактивными (ПИВ). Для нихg< 0. По отношению к воде поверхностно-инактивными веществами являются неорганические кислоты, основания, соли и такие органические соединения, как глицерин, α-аминокислоты и др.

3) Растворенное вещество практически не изменяет поверхностного натяжения растворителя (σ_р-р = σ₀); поверхностно неактивными (ПНВ) по отношению к воде веществами являются сахароза и ряд других.




Рис. 2. Зависимости поверхностного натяжения растворов от концентрации:

  1) - поверхностно-активных;

  2) - поверхностно-инактивных;

  3) - не влияющих на величину поверхностного натяжения веществ.

   На рис. 2. показаны зависимости поверхностного натяжения от концентрации растворов указанных классов веществ.

В дальнейшем, ввиду большой биологической важности, будут рассмотрены главным образом ПАВ.

    Чтобы вещество обладало способностью понижать поверхностное натяжение растворителя, необходимо, чтобы молекулы этого вещества состояли из неполярной (гидрофобной) углеводородной части («хвост») и полярной гидрофильной группы («голова»). Такие вещества называются

---

 дифильными. К поляр­ным относятся группы

 

-OH,  - COOH,  - C - O - , - NH₂,  - C - N -,  - SO₃ идр.

/                             ||                             ||

OO

Схематически строение молекулы ПАВ изображено на рис. 3.

Рис. 3.  Модель молекулы поверхностно-активного вещества:

  а) - строение гептановой кислоты;

  б) - строение гептанового спирта;

  в) - общая модель молекулы ПАВ.

 Зависимость поверхностного натяжения при постоянной температуре от концентрации растворенного вещества называют изотермой поверхностного натяжения (рис. 4).

 

     Как следует из рис. 4, с ростом концентрации ПАВ поверхностная активность понижается. Она имеет наибольшее значение в области малых концентраций и наименьшее значение в области больших концентраций.

     Поверхностная активность зависит от природы поверхностно-активного вещества. Согласно правилу Дюкло -- Траубе,

   поверхностная активность вещества одного и того же гомологического ряда возрастает приблизительно в 3 раза при увеличении углеводородной цепи на одну метиленовую группу  - СН₂ - (для разбавленных растворов).

Правило хорошо иллюстрируется семейством кривых, изображенных на рис. 4. В ряде случаев биологическая активность (например, наркотическое действие, бактерицидность и др.) веществ одного и того же гомологического ряда возрастает с увеличением их поверхностной активности, т. е. в соответствии с правилом Дюкло-Траубе.

ПАВ, как и все вещества в зависимости от способности к диссоциации, делят на электролиты (ионогенные ПАВ) и неэлектролиты (неионогенные ПАВ). Ионогенные ПАВ подразделяют на катионактивные, анионактивные и амфотерные.

Катионные и анионные ПАВ применяют в хирургии в качестве антисептиков. Например, четвертичные аммониевые соединения приблизительно в 300 раз эффективнее фенола по губительному действию в отношении микроорганизмов.

---

Смотрите также файлы

• Занятие 2 тема 2 финансы и финансовая система рф задание 1.docx

• Презентация по обещтвознанию студентки группы 13а василенко оксаны.pptx

• Тема Матрица.docx

• рпп.docx

• Занятие 2 тема 2 финансы и финансовая система рф задание 1.docx