Практическое применение теоретических основ коллоидной химии. Некоторые примеры использования ПАВ

 

   Найденные значения хорошо совпадают с расчетными. Если прикладывать две пластинки слюды, не покрытые монослоями, то разорвать их невозможно. После нанесения монослоя пластинки слюды практически не прилипают друг к другу, ибо притяжение слоев, состоящих из цепей парафиновых углеводородов, низко.

Реальные процессы отличаются от идеального:

1. Сдвигом полимолекулярных слоев, но без турбулентности; тогда F =ΔF_ид,n где n — число сдвигаемых слоев;

2. Наличием турбулентных токов в смазке;

3. Снятием при движении смазки с отдельных участков и нарушением на шероховатостях защитного слоя;

4. Свариванием твердых поверхностей.

   Приблизить  процесс трения к идеальному можно  с помощью смазки. В связи с  этим к смазочным материалам предъявляют  следующие требования. Во-первых, они должны обеспечить легкое скольжение одного слоя относительно другого, а, во-вторых, смазка не должна вытекать в зазор. В первом случае необходима низкая вязкость смазки, т. е. низкая когезия, во втором — высокая вязкость или, лучше, высокая адгезия смазки к скользящей поверхности, т. е. когезия смазки должна быть минимальна, а адгезия — максимальна. В этом отношении ПАВ должны удовлетворять обоим требованиям, так как полярная группа активно адсорбируется на поверхности, а когезия алифатических радикалов слабая.

Условием  оптимальной работы ПАВ как компонента смазки будет превышение работы адгезии  над силой сдвига на единицу поверхности, обусловливающим десорбцию защитного слоя ПАВ с поверхности: W_а > ΔF_реал. Цель применения ПАВ в смазке — перевести процесс из реального в идеальный. 

ПАВ КАК ЗАМЕДЛИТЕЛИ  ИСПАРЕНИЯ

Одна  из новых областей применения ПАВ  — замедление испарения воды с  поверхности водоемов с помощью пленок нерастворимых ПАВ. Эта область применения возникла в связи с проблемами экологии и в настоящее время достаточно активно развивается. В специально посвященной этому вопросу книге рассмотрены многие аспекты проблемы.

Рис. 5. Зависимость скорости испарения воды от поверхностного давления монослоя гексадецилового (1) и октадецилового (2) спиртов.

Рис. 6. Изотермы поверхностного давления гексадецилового (1) и октадецилового (2) спиртов.

   Ла-Мер  с сотрудниками исследовал зависимость скорости испарения с поверхности воды, покрытой монослоями ПАВ, от давления π. Характеристикой процесса служило сопротивление массопереносу, рассчитанное по обычной формуле:

   

где r — удельное сопротивление испарению; т₀ и т_п — количество воды, испарившейся с чистой поверхности и поверхности, покрытой слоем ПАВ, к моменту времени т; С*—С — движущая сила процесса, равная разности равновесной и реальной концентрации паров воды над осушителем.

 Монослой  получали нанесением ПАВ на поверхность  воды с дальнейшим принудительным поджатием до требуемого поверхностного давления. Зависимости r от π имели вид, показанный на рис. 5. Если эти данные сопоставить с изотермой поверхностного давления π —S тех же ПАВ (рис. 6), то видно, что резкое нарастание сопротивлению испарения происходит при соединении островков в единую пленку, а уже после образования монолитной пленки r возрастает слабо

   Из  данных рис. 6 видно, чем длиннее алифатическая цепь ПАВ, тем выше r. Отсюда Ла-Мер заключил, что монослой ПАВ является энергетическим барьером при процессе испарения и, следовательно, можно записать

Где ΔЕ- энергия активации, которая аддитивна по энергии взаимодействия метиленовых групп друг с другом, полярных групп с водой и друг с другом соответственно:

Эта логичная картина получила широкое распространение  в литературе, но она противоречит фактам. Так, олеиновая кислота и другие жидкие ПАВ, имеющие практически ту же энергию межмолекулярного взаимодействия, что и цетиловый спирт, а в ряде случаев и значительно большую, очень слабо замедляют испарение.

   Хорошими  замедлителями испарения являются лишь твердые ПАВ, образующие сплошную пленку. Отсюда можно предположить другой механизм процесса. Пленки ПАВ являются «крышкой», закрывающей поверхность воды чисто механически.

   Эта картина хорошо объясняет факты, полученные по предотвращению испарения при свободном нанесении ПАВ на поверхность воды. Ла-Мер исследовал защитное действие пленки, нанесенной на поверхность и поджатой барьером. В натурных испытаниях ПАВ наносится на поверхность в виде раствора, который самопроизвольно растекается по поверхности раздела фаз.

   При таком нанесении твердые карбоновые кислоты и высшие спирты с числом атомов углерода 18 и выше плохо предотвращают испарение, поскольку хуже растекаются по поверхности воды и образуют твердо-прерывный слой. Жидкие ПАВ, хотя и хорошо самопроизвольно растекаются, но практически не предотвращают испарения. Оптимальным является цетиловый спирт, который, обладая относительно низкой температурой плавления, хотя и является твердым веществом, но хорошо растекается по поверхности воды, образуя сплошную твердую пленку, т. е. «крышку».

   Необходимым условием к ПАВ-замедлителю испарения является следующее: ПАВ должно давать твердый гомогенный монослой, для этого оно, будучи твердым, должно хорошо растекаться и быстро «залечивать» образующиеся дефекты в монослое.

   В заключение следует отметить еще  один из возможных механизмов замедления испарения — это гашение волн на поверхности. Таким образом уменьшается площадь поверхности соприкосновения воды с воздухом, особенно при наличии ветра. Однако до сих пор взаимосвязь этих явлений исследована недостаточно, чтобы сделать какие-либо определенные заключения. Можно лишь указать на тот факт, что жидкие ПАВ слабо замедляют испарение, но довольно хорошо гасят волны.

   ПАВ В БОРЬБЕ С ЗАГРЯЗНЕНИЯМИ.

   В отличие от растворов других ПАВ водные растворы коллоидных ПАВ обладают моющим действием. Под моющим действием подразумевают совокупность коллоидно-химических процессов, которые приводят к удалению загрязнений с различных поверхностей и удержанию зтих загрязнений в растворе. Загрязнения представляют собой маслянистые продукты в смеси с другими твердыми веществами минерального и органического происхождения.

    Стадии моющего действия  при  удалении жировых загрязнений показаны на рис.7.

Рис. 7. Стадии моющего действия:

1 — смачивание водным раствором коллоидных ПАВ(В) масляных загрязнений (М)и твердой поверхности (Т);2 — преодоление адгезии и удаление масляных загрязнений с твердой поверхности; 3 — диспергирование ипептизация;4 — солюбилизация;5, 6 и 7 — удержание загрязнений в объеме в виде эмульсии, суспензии и на пузырьке пены соответственно.

Первая  стадия-это смачивание твердой поверхности, когда происходит замена гранцы раздела загрязнение-воздух и твердая поверхность-воздух на границу раздела масло-вода(М-В) и твердая поверхность-вода(Т-В). Улучшение смачивания происходит в результате снижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

   На  второй стадии моющего действия происходит отрыв частиц загрязнений. Для характеристики условий отрыва жировых загрязнений  обозначим σ₁₂ =σ_ТМ , σ₁₃ =σ_МВ , σ₂₃ =σ_ТВ (где М-масляные загрязнения, В-вода, Т-твердая поверхность).

   Изменение поверхностного натяжения эквивалентно изменению энергии Гиббса (ΔG_В) в расчете на единицу площади раздела фаз. Оно определяет возможность преодоления адгезии масляных загрязнений в направлении, обратном формированию адгезионного взаимодействия. Значение ΔG_B можно выразить как разность между начальным (до удаления загрязнения) поверхностным натяжением σ_тм и его конечным значением (после удаления этих загрязнений), а именно σ_ТМ + σ_МВ ,

  ΔG=σ_ТМ-(σ_МВ+σ_ТВ)

  Для самопроизвольного процесса ΔG_В< 0 можно написать:

  σ_ТМ-(σ_МВ+σ_ТВ)<0 или σ_ТМ<σ_МВ+σ_ТВ

  Для самопроизвольного удаления загрязнений необходимо, чтобы межфазовое поверхностное натяжение σ_ТМ было меньше поверхностного натяжения масла σ_МВ и твердого тела σ_ТВ на границе с водой. Этот процесс осуществляется в результате адсорбции коллоидных ПАВ. Таким образом, первая и вторая стадии моющего действия связаны с поверхностными свойствами коллоидных ПАВ.

  За  счет механического воздействия, например при стирке, можно усилить моющее действие, особенно в тех случаях, когда не происходит самопроизвольного нарушения адгезионного взаимодействия. В этом случае под действием ПАВ адгезия частиц загрязнений снижается, что способствует удалению их механическим путем.

  Отличительные особенности коллоидных ПАВ наиболее ощутимы на стадии моющего действия, которая заключается в удержании загрязнений в жидкой среде и в предотвращении их возможного оседания на обрабатываемую поверхность.

  Удержание частиц в растворе определяется целым  комплексом коллоидных свойств растворов ПАВ (3—7 на рис. 7). Прежде всего происходит диспергирование частиц на более мелкие (3; этот процесс схематически показан в отношении большой частицы). Комки твердых загрязнений в результате пептизации переходят во взвешенное состояние с одновременным дроблением крупных частиц на более мелкие или разрушением агрегатов. Затем на поверхности частиц образуются адсорбционно-сольватные слои, которые препятствуют агрегации частиц и удерживают их во взвешенном состоянии, т.е. происходит образование стабилизированной суспензии. Пептизация с одновременным суспендирущим действием коллоидных ПАВ способствует удержанию твердых загрязнений.

  В случае жидких жировых загрязнений  возможно самопроизвольное диспергирование до мелких капель, когда дисперсная система является лиофильной. Капли масляных загрязнений образуют прямую эмульсию М/В, а адсорбционные слои ПАВ 5 (см. рис. 7) способствуют удержанию их в водной среде. Кроме того, особенно для лиофобных систем, масляные загрязнения удерживаются в объеме водной среды за счет солюбилизации (4). Коллоидные ПАВ являются еще и пенообразователями. К пузырькам пен прилипают частицы загрязнений (7), которые удерживают их в растворе, затем происходит флотационное всплытие пузырьков.

  В целом именно на третьей стадии моющего действия в полной мере проявляются объемные свойства растворов коллоидных ПАВ.

  В основе моющего действия лежат следующие  коллоидно-химические процессы: смачивание, адгезия, адсорбция, пептизация, солюбилизация, эмульгирование, суспендирование, ценообразование.

 

   

   Заключение.

   Современная коллоидная химия  как большая самостоятельная  область химической науки, изучающая  вещество в дисперсном состоянии, выделяется среди других областей химии тем, что  в центре ее внимания находятся поверхностные  явления. Дисперсные системы и поверхностные явления неразрывны; именно поверхностные явления определяют характерные свойства дисперсных систем и пути управления этими свойствами. Вместе с тем следует подчеркнуть, что коллоидная химия—своеобразная пограничная область знания, складывавшаяся во взаимодействии химии, физики и других смежных наук в постепенном процессе генезиса, отпочковывания, дифференциации и слияния их разделов.

   В данной работе рассмотрена взаимосвязь строения молекул и тех свойств ПАВ, которые определяют их применение и для данных соединений наиболее важны. К таким свойствам относятся когезионные и адгезионные, являющиеся функцией структуры молекул и межмолекулярных сил: поверхностные и адсорбционные, испарение, растворение, мицеллообразование и т. д. Излагается взаимосвязь структура—свойство— применение на наиболее характерных объектах.

 

   Список  литературы.

1. Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение. Л., Химия, 1975.
2. Зимон А.Д. Коллоидная химия. М., Агар. 2001.
3. Поверхностно-активные вещества в народном хозяйстве. Сб. статей. 1989.
4. Щукин Е.А., Перцов А.В., Амелина Е.А. коллоидная химия. М., Высшая школа, 1992.
5. Поверхностно-активные вещества. Справочник./Под ред.А.А.Абрамзона и Г.М. Гаевого. Л., Химия, 1979.