Физико-химия поверхностных явлений

1. Физико-химия поверхностных явлений.

13.02.2018

2.

Поверхностные явления (ПЯ) – это
особенности поведения веществ,
которые наблюдаются на
поверхности раздела фаз, и
обусловленные особенностями
состава и строения поверхностного
слоя.
13.02.2018

3.

Поверхности раздела
подвижные
ж-г, ж-ж
неподвижные
т-ж, т-г, т-т
Влияние поверхности раздела фаз на
свойства системы возрастает с
увеличением удельной поверхности.
13.02.2018

4.

Удельная поверхность Sуд – это
величина, измеряемая суммарной
площадью граничной поверхности
фазы Scум, отнесенной к объему
фазы V:
Sсум
Sуд=
V
13.02.2018

5.

13.02.2018

6.

Для молекул внутри жидкости
равнодействующая всех сил = нулю.
Для молекул на границе раздела фаз
равнодействующая всех сил 0 и
направлена вглубь жидкой фазы.
Отличия в энергетическом состоянии
молекул поверхностного слоя
характеризуются свободной
поверхностной энергией.
13.02.2018

7.

Свободная поверхностная энергия GS –
термодинамическая функция,
характеризующая энергию
межмолекулярного взаимодействия частиц
на поверхности раздела фаз с частицами
каждой из контактирующих фаз.
GS=σ·S
S – площадь раздела фаз,
σ – поверхностное натяжение
13.02.2018

8.

Поверхностное натяжение σ - это
величина, численно равная работе,
которую необходимо совершить для
образования единицы поверхности
раздела фаз (Т=const)
- это сила, стремящаяся сократить
свободную поверхность тела до
наименьших возможных пределов
13.02.2018

9.

Капли воды на гидрофобной поверхности
13.02.2018

10.

σ биологических жидкостей
используют в диагностике.
σ плазмы крови различно при
различных заболеваниях. С возрастом
σ сыворотки крови уменьшается. σ
играет значительную роль в процессе
деления клеток, фагоцитозе,
пиноцитозе, изменении проницаемости
клеточных мембран и др.
13.02.2018

11.

Недостаток сурфактанта в легких –
причина гибели недоношенных детей
(cурфактанты легких – это
фосфолипидно-белковые комплексы,
которые выстилают поверхности
альвеол, понижая σ и препятствуя
спадению стенок альвеол при выдохе).
13.02.2018

12.

Поверхностная активность g – это
способность растворенного вещества
изменять поверхностное натяжение:
∆σ
g=∆C
∆σ - изменение поверхностного натяжения
при изменении концентраций ∆С.
13.02.2018

13.

По способности изменять
поверхностное натяжение растворов
по сравнению с чистым
растворителем все вещества делятся
на три типа:
13.02.2018

14.

1. Поверхностно-активные вещества
(ПАВ) (σр-ра< σ0), концентрация
растворенных веществ в
поверхностном слое больше, чем в
объеме раствора (спирты, кислоты
алифатического ряда, сложные
эфиры, белки);
13.02.2018

15.

2. Поверхностно-инактивные вещества
(ПИВ) (σр-ра> σ0), концентрация
растворенных веществ в
поверхностном слое меньше, чем в
объеме раствора (неорганические
кислоты, основания и соли, некоторые
органические соединения, такие как
глицерин, α-аминокислоты и др.);
13.02.2018

16.

3. Поверхностно неактивные вещества
(ПНВ) практически не изменяют
поверхностного натяжения
растворителя (σр-ра= σ0) (сахароза,
и др.)
13.02.2018

17.

Изотерма поверхностного натяжения –
это зависимость поверхностного
натяжения от концентрации
растворенного вещества (Т=const)
σ,
H/м2
ПИВ
ПНВ
ПАВ
С, моль/л
13.02.2018

18.

В состав организмов входит
множество ПАВ: соли жирных
кислот, желчные кислоты и их
соли, фосфолипиды…
13.02.2018

19.

ПАВ - дифильныСН
НООС
полярная часть
(головка)
13.02.2018
2
СН3
СН2
неполярная часть
(хвостик)

20.

Классификация ПАВ:
ПАВ
ионогенные
неионогенные
(спирты…)
катионактивные (соли
алифатических аминов) С8-С14 –
антимикробное
анионактивные (мыла, действие
соли желчных кислот…)
амфотерные (алкиламинокислоты…)
13.02.2018

21.

Модели биологических мембран
13.02.2018

22.

правило Дюкло-Траубе:
Поверхностная активность ПАВ в
разбавленных водных растворах при
одинаковой молярной концентрации
увеличивается в 3-3,5 раза при удлинении
гидрофобной части на одну группу -СН2-.
σ, Н/м2
НСООН
СН3СООН
СН3СН2СООН
13.02.2018
С, моль/л

23.

ПЯ:
• физическая сорбция: абсорбция,
адсорбция, десорбция, капиллярная
конденсация
• хемосорбция
13.02.2018

24.

Сорбция – поглощение газов, паров
или растворенных веществ
(сорбатов) твердым телом или
жидкостью (сорбентом)
Абсорбция – поглощение сорбата всем
объемом сорбента (поглощение
аммиака водой)
Адсорбция – поглощение сорбата
поверхностью сорбента (поглощение
газов активированным углем)
13.02.2018

25.

Капилярная конденсация – процесс
сжижения пара в порах твердого
сорбента при снижении Т ниже
критической для этого пара.
Хемосорбция – сорбция с
образованием химических связей.
Десорбция – процесс обратный
сорбции
13.02.2018

26.

Метод хемосорбции используется для
создания лекарственных форм с
замедленным высвобождением
активного вещества (обеспечивает
равномерное высвобождение
лекарственного вещества, позволяет
уменьшить число приёмов
лекарства).
13.02.2018

27.

NH-СО-R
NH2
+
матрица
противовоспалительное
средство
NH-СО-R
коньюгат лекарства
13.02.2018
R-CO-Cl
+2Н2О
кишечник
коньюгат лекарства
NH2
матрица
+
R-CO-Cl
Освобожденное
лекарственное
средство

28.

Адсорбция молекул на твердых
адсорбентах зависит от:
1. природы адсорбента,
2. природы растворителя,
3. природы поглощаемого вещества,
4. концентрации раствора,
5. температуры.
13.02.2018

29.

гидрофильные адсорбенты
(силикагель, глины, пористые
стекла) поглощают полярные
вещества
гидрофобные адсорбенты (сажа,
активированный уголь) поглощают
неполярные вещества
13.02.2018

30.

Влияние природы поглощаемого
вещества определяется правилами:
• «подобное взаимодействует с
подобным»,
• правило Шилова: чем больше
растворимость вещества в данном
растворителе, тем хуже оно
адсорбируется на поверхности твердого
адсорбента.
13.02.2018

31.

• правило Ребиндера (правило
выравнивания полярностей
контактирующих фаз): на полярных
адсорбентах лучше адсорбируются
полярные адсорбаты из малополярных
растворителей; на неполярных
адсорбентах – неполярные адсорбаты из
полярных растворителей.
13.02.2018

32.

С повышением температуры
адсорбция уменьшается.
Влияние концентрации растворенного
вещества на процесс адсорбции из
раствора при Т=const описывается
уравнениями изотермы адсорбции:
13.02.2018

33.

• Изотерма адсорбции Гиббса
С
∆σ
Γ=·
R·T ∆C
• Изотерма адсорбции Френдлиха
n
Γ = k·C
• Изотерма адсорбции Ленгмюра
К·С
Γ = Г∞·
1+К·С
13.02.2018

34.

При адсорбции ПАВ полярный
фрагмент всегда обращен к
полярной (гидрофильной) фазе – к
воде, силикагелю, а неполярный
фрагмент – к неполярной
(гидрофобной) фазе –
активированному углю, маслу.
13.02.2018

35.

полярная часть
вода
неполярная часть
полярная фаза
бензол
неполярная фаза
активированный
уголь
13.02.2018
силикагель

36.

Ионная адсорбция - адсорбция ионов из
растворов электролитов на полярных
адсорбентах.
Ионнообменная + избирательная
13.02.2018

37.

Особенности ионной адсорбции:
• на границе раздела фаз возникает ДЭС;
• скорость ионной адсорбции < скорости
молекулярной адсорбции;
• ионная адсорбция не всегда обратима
(хемосорбция);
13.02.2018

38.

• адсорбируемость иона увеличивается
с увеличением радиуса
негидратированного иона и увеличением
абсолютной величины заряда иона
(исключение катион водорода);
• ионная адсорбция подчиняется правилу
Панета-Фаянса.
13.02.2018

39.

Правило Панета-Фаянса:
на поверхности кристалла
преимущественно адсорбируются те
ионы, которые входят в состав
кристаллической решетки адсорбента
или изоморфны им по строению и могут
достроить кристаллическую решетку.
13.02.2018

40.

При добавлении к раствору AgNO3
раствора KI на осадке AgI будут
адсорбироваться ионы Ag+ и I-.
NO3-
NO3
-
NO3-
NO3-
K+
K+
Ag+
Ag+
Ag+
Ag+
IK+
K+
Ag+
NO3
NO3
-
-
IK+
NO3NO3-
K+
I-
NO3Ag+
NO3-
13.02.2018
Ag+
I-
Ag+
I-
Ag+
I-
Ag+

41.

Ионообменная адсорбция (ИА) процесс эквивалентного обмена
собственных ионов нерастворимого
адсорбента (ионита), посылаемого в
раствор, на другие ионы того же
знака, находящиеся в растворе.
13.02.2018

42.

Na
H++
+
Na
H+
Na+
Na+
H+
H+
+
Na
H+
H++
Na
++
H
Na
H+
Cl-
H+
Na+
Na+
++
H
Na
H+
Na
H++
Cl-
катионит
13.02.2018
Cl-
Na+
Cl-
ClH+
H+
Na+
Na+
Cl-
раствор
ClH+

43.

Иониты = аниониты + катиониты
На ИА основана хроматография –
метод определения и разделения
веществ
13.02.2018

44.

ИА используется для
• очистки воды,
• консервирования крови (удаление Са2+),
• беззондовой диагностики рН желудочного
сока.
Аниониты –антацидные средства.
Катиониты –предупреждение и лечение
отеков, связанных с декомпенсацией
сердечной деятельности, предотвращение
ацидоза и др.
13.02.2018