Лекція № 7

«Фізико-хімія поверхневих явищ. Адсорбційна рівновага та процеси на рухомих і нерухомих межах поділу фаз»

1. Поверхневі явища та їх значення в медицині.

Поверхневі явища – це процеси, які відбуваються на межі поділу фаз у гетерогенних системах.

За агрегатним станом контактуючих фаз поверхні поділи класифікують на:

• рухомі межі поділу: рідина-газ (Р-Г), рідина-рідина (Р-Р)

• нерухомі межі поділу: тверде тіло – газ (Т –Г), тверде тіло – рідина (Т – Р), тверде тіло – тверде тіло (Т- Т)

В організмі на поверхні поділу фаз відбуваються процеси дихання, обміну, адсорбції, десорбції, ферментні реакції. Властивості молекул на поверхні поділу рідина – газ, відрізняються від властивостей молекул в об’ємі рідкої фази. Якщо молекула знаходиться всередині рідини, вона рівномірно притягується з усіх боків такими самими за природою молекулами і силове поле міжмолекулярної взаємодії скомпенсоване. На молекулу, що знаходиться поблизу поверхні поділу фаз, з боку газоподібної фази діють слабші сили притягання, ніж з боку рідкої фази, отже положення такої молекули не скомпенсоване. При попаданні молекули рідина на поверхню поділу фаз неврівноваженість молекулярної взаємодії зростає.

Енергетична некомпенсованість молекул на межі поділу фаз призводить до втягування тих молекул, що розташовані на поверхні, у глибину рідини. Внаслідок цього виникає сила, під дією якої поверхня рідини на межі поділу рідина – газ зменшується до мінімальної розмірів, а молекули, що розташовані, наближаються до молекул нижчих шарів.

При цьому відстань між молекулами поверхневого шару менша, ніж між молекулами внутрішніх шарів.

Молекули, розташовані на поверхні, не повністю реалізують свою здатність до взаємодії і тому мають певний надлишок енергії, який називають вільною поверхневою енергією G_s.. Відношення надлишку вільної поверхневої енергії Гіббса до одиниці площі поділу фаз називають поверхневим натягом

σ = G_s / S

де G_s – вільна поверхнева енергія, S – поверхня поділу фаз, σ – поверхневий натяг

Поверхневий натяг вимірюють в кілоджоулях на квадратний метр (кДж/м²) або в ньютонах на метр (Н/м). Кожна чиста рідина за сталої температури має певну величину поверхневого натягу, яка залежить від її природи. Поверхневий натяг багатьох рідин лінійно зменшується з підвищенням температури.

При розчиненні в воді речовин відбувається зміна її поверхневого натягу. За характером впливу на поверхневий натяг речовини поділяються на три групи. До першої відносяться речовини які зменшують поверхневу активність води. Їх називають поверхнево-активними (ПАР). Це карбонові кислоти, спирти, аміни. Речовини які збільшують поверхневий натяг називаються поверхнево-неактивними (ПНР). До них відносяться деякі сильні електроліти (неорганічні кислоти, основи , солі), а також деякі сильні полярні органічні сполуки (гліцерин, амінокислоти). Речовини які не впливають на поверхневий натяг води, називаються поверхнево-індиферентними. Прикладом таких речовин є сахароза та інші вуглеводи.

Поверхнева активність ПАР залежить від їх молекулярної маси. Згідно правила Дюкло – Траубе: поверхнева активність жирних кислот, спиртів та інших дифільних сполук у водних розчинах однакової концентрації зі збільшення довжини вуглеводневої групи на одну групу – СН₂- збільшується у 3 – 3,5 рази.

Це привило найбільш точно використовується на низьких концентраціях розчинених речовин. Із нього можна зробити висновок: площа яка припадає на одну молекулу максимально насиченого ПАР адсорбційного шару, залишається в межах гомологічного ряду.

За значеннями максимальної адсорбції Г_мах можна розрахувати розміри молекул ПАР:

А) поперечний переріз полярної групи ( площу):

S₀ = 1/ Г_мах N_a

Де S₀ – площа поверхні, яку займає одна молекула; N_a – стала Авогадро, Г_мах - число моль ПАР у моно шарі при граничній адсорбції

Б) довжину молекули l = Г_мах M / ρ

де Г_мах – число моль ПАР у моно шарі за граничної адсорбції; M – молярна маса; ρ – густина ПАР.