wymagania8 bmp

5.1.3. Napięcie powierzchniowe roztworów

Napięcie powierzchniowe Toztworów jest zwykle różne do napięcia powierzchniowego czystego rozpuszczalnika. Zależy ono od rodzaju substancji rozpuszczonej i najczęściej ulega obniżeniu albo nieznacznemu podwyższeniu wraz ze wzrostem stężenia substancji rozpuszczonej. Przyczyną takich zmian jest adsorbowanie się cząsteczek substancji w warstewce powierzchniowej albo unikanie warstwy powierzchniowej roztworu i gromadzenie się w głębi roztworu. Opis ilościowy powyższych zjawisk przedstawia tzw. równanie adsorpcji powierzchniowej Gibbsa:

gdzie: T oznacza nadmiar substancji rozpuszczonej w warstwie powierzchniowej w porównaniu z wnętrzem roztworu, odniesiony do 1 cm² powierzchni, c — stężenie roztworu, a — napięcie powierzchniowe,

R i T — stała gazowa oraz temperatura

(§?)t    — zmiana napięcia powierzchniowego wywołana nieskoń

czenie małą zmianą stężenia roztworu, przy stałym ciśnieniu i temperaturze.

Jeżeli ^    > 0, to T < 0, tzn.: w przypadku, gdy dodatek substan

cji podwyższa (z reguły nieznacznie) napięcie powierzchniowe, to stężenie substancji w warstwie powierzchniowej jest niższe niż w głębi roztworu. Występuje wtedy tzw. adsorpcja ujemna. Przykładem takich substancji są liczne sole, zasady i kwasy nieorganiczne.

Jeżeli ($f)_T    < 0» tzn. gdy wzrost stężenia substancji powoduje

obniżenie napięcia powierzchniowego, to T > 0. Oznacza to, że stężenie substancji rozpuszczonej jest w warstwie powierzchniowej wyższe niż w głębi roztworu. Substancja taka adsorbuje się na powierzchni roztworu.

Duża grupa związków praktycznie nie wywiera wpływu na napięcie powierzchniowe.

Grupa związków obniżających napięcie powierzchniowe jest bardzo liczna. Należące do niej związki noszą nazwę substancji albo związków powierzchniowo czynnych. Cząsteczki tych związków są zbudowane z polarnej grupy hydrofilowej, łączącej się z wodą, oraz z nie-polarnej części hydrofobowej — „nie lubiącej wody”. Typowymi grupami hydrofilowymi są: grupa karboksylowa —COOH, hydroksylowa —OH, sulfonowa —SO3H oraz grupy aminowe. Hydrofobowe części cząsteczek są utworzone najczęściej z łańcuchów węglowodorowych. Przedstawicielami związków powierzchniowo czynnych są mydlą i wyższe kwasy tłuszczowe.

Wpływ związków powierzchniowo czynnych na napięcie powierzchniowe roztworu jest przedstawiany równaniem Szyszkowskiego:

a = o₀ — aln (1 + bc),    (5.7)

gdzie: o₀ i a oznaczają napięcia powierzchniowe, odpowiednio — czystego rozpuszczalnika i roztworu,

c oznacza stężenie substancji powierzchniowo czynnej w roztworze, natomiast

a i b są stałymi, zależnymi od rodzaju substancji.

W przypadku roztworów silnie rozcieńczonych, bc < 1 i równanie Szyszkowskiego przyjmuje postać:

o = ct₀ - a b c,    (5.8)

wskazującą, że napięcie powierzchniowe takich roztworów maleje liniowo ze wzrostem stężenia substancji powierzchniowo czynnej.

Zjawisko napięcia powierzchniowego jest ważne w rozwiązywaniu wielu problemów praktycznych. Są to przede wszystkim problemy związane z wszelkimi procesami chemicznymi zachodzącymi w stanie dużego rozdrobnienia, tzn. w emulsjach, suspensjach, mgłach i pyłach. Istotne znaczenie praktyczne ma zastosowanie tzw. środków pianotwórczych i detergentów do obniżania napięcia powierzchniowego granicy faz: ciecz — gaz oraz ciecz — ciało stale. Otrzymywanie piany ma duże znaczenie w procesie flotacji, tj. oddzielania rudy od dużych ilości skały plonej. Powstawanie piany jest jednak często procesem szkodliwym (np. pienienie w kotłach i reaktorach). W takich przypadkach niszczy się piany przez dodanie środków przeciwpiano-wych. Duże znaczenie ma również zastosowanie substancji powierzchniowo czynnych w procesach otrzymywania emulsji. Wspomnieć należy jeszcze o zwiększaniu rozpuszczalności niektórych związków pod wpływem dodatku substancji powierzchniowo czynnych.

5.1.4. Zwilżanie i zjawiska kapilarne

Zwilżanie ciała stałego cieczą zależy od wielkości napięć powierzchniowych na trzech graniczących ze sobą powierzchniach: cieczy z gazem o_c.g., gazu z ciałem stałym o_st.g. i cieczy z dałem stałym o_c.st.. Analizę kierunków działania tych sił podaje rys. 2.

W stanie równowagi:    ₍

^ st.g. = <r st.c. + o c.g.,    (5-9)

123