"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Поверхностная активность показывает, как вещество влияет на поверхностное натяжение на границе фаз. Одни растворённые вещества накапливаются у поверхности и ослабляют её натяжение, другие почти не действуют или повышают его. Особенно активны амфифильные молекулы: их части по-разному взаимодействуют с водой, поэтому они ориентируются на границе вода–воздух. Это свойство объясняет действие моющих средств, помогает понять смачивание, растекание жидкостей и образование эмульсий.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Поверхностная активность — способность вещества изменять поверхностное натяжение на границе раздела фаз, обычно понижая его. Поверхностное натяжение σ характеризует, насколько поверхность жидкости стремится сократиться. Это понятие помогает сравнивать вещества по тому, как они влияют на поверхность, а не только по способности растворяться.
Поверхностно-активное вещество (ПАВ) — вещество, концентрирующееся на поверхности или границе раздела фаз и уменьшающее поверхностное натяжение. Его молекулы как бы собираются в поверхностном слое, поэтому свойства этого слоя отличаются от свойств раствора в целом. Понятие нужно, чтобы объяснить действие мыла и других моющих средств.
Адсорбция — накопление частиц вещества на поверхности или границе раздела фаз. В отличие от равномерного распределения по всему объёму, при адсорбции частиц у границы становится больше. Этот термин описывает, каким образом ПАВ попадает в поверхностный слой.
Амфифильная молекула содержит гидрофильную часть, которая хорошо взаимодействует с водой, и гидрофобную, которая стремится избегать такого контакта. Это строение позволяет молекуле удобно расположиться между водой и воздухом. По наличию таких частей часто можно предположить, будет ли вещество поверхностно-активным.
Молекулы внутри жидкости окружены соседними молекулами со всех сторон, поэтому силы их взаимодействия в среднем уравновешены. У молекул на поверхности соседей над ними меньше, и условия взаимодействия отличаются от объёмных. Чтобы увеличить поверхность, приходится затрачивать энергию; этот избыток называют поверхностной энергией. Поэтому поверхностный слой стремится сократиться, а его свойства не совпадают со свойствами жидкости в глубине.
Если растворённые частицы притягиваются к границе раздела фаз, их концентрация в поверхностном слое становится выше, чем в объёме. Это явление и называют адсорбцией. Адсорбированные молекулы занимают место на границе и меняют взаимодействия между молекулами жидкости. В случае ПАВ поверхностная энергия и поверхностное натяжение обычно уменьшаются, поскольку присутствие таких молекул делает образование поверхности менее энергетически затратным.
Особенно наглядно это происходит с амфифильными молекулами на границе вода–воздух. Гидрофильная часть удерживается в воде благодаря взаимодействию с её полярными молекулами, в том числе через водородные связи, если строение позволяет их образовать. Гидрофобная часть избегает воды и направляется в сторону воздуха. Такая ориентация уменьшает неблагоприятные контакты, поэтому молекулам выгодно сосредоточиваться именно на границе, а не только в объёме жидкости.
Понижение поверхностного натяжения помогает жидкости легче соприкасаться с поверхностью и растекаться по ней: воде требуется меньше энергии, чтобы увеличить площадь контакта. Так улучшается смачивание. ПАВ также облегчают образование эмульсий — систем из капель одной жидкости в другой, например масла в воде: молекулы располагаются вокруг капель и уменьшают затраты энергии на создание границы. Благодаря этим эффектам моющие средства помогают воде взаимодействовать с жирными загрязнениями.
При увеличении концентрации ПАВ больше его молекул может достигнуть границы раздела фаз, поэтому поверхностное натяжение обычно снижается. Однако поверхностный слой не способен бесконечно вмещать новые молекулы: по мере заполнения свободных мест адсорбция ослабевает. Тогда добавление очередной порции вещества уже не вызывает такого же сильного изменения натяжения, как в начале. Поэтому активность разумно оценивать на заданном интервале концентраций, а не считать эффект всегда пропорциональным количеству ПАВ.
| Признак | Поверхностно-активные вещества | Поверхностно-инактивные вещества | Практически неактивные вещества |
|---|---|---|---|
| Изменение поверхностного натяжения | Понижают | Повышают | Почти не изменяют |
| Накопление на границе раздела фаз | Происходит | Вытеснение из поверхностного слоя или слабая адсорбция | Не наблюдается заметно |
| Особенности строения частиц | Обычно имеют гидрофильную и гидрофобную части | Хорошо взаимодействуют с водой и не стремятся к поверхности | Не проявляют выраженной двойственной природы |
| Примеры | Мыла, синтетические моющие средства, некоторые спирты | Многие растворимые соли | Сахар в разбавленном растворе |
Сначала выберите строку с нужным признаком, а затем сравните поведение веществ по столбцам. Таблица показывает общие тенденции для границы вода–воздух, а не универсальное правило для любых условий. Чтобы определить активность точнее, учитывайте состав раствора и концентрацию.
Из двух веществ — этанола и хлорида натрия — нужно выбрать то, которое сильнее накапливается на границе вода–воздух. Сравним строение частиц и их взаимодействие с водой, а не только растворимость. У этанола есть полярная группа –OH и неполярная углеводородная часть.
Ответ: сильнее на границе вода–воздух накапливается этанол. Его молекулы имеют гидрофильную и гидрофобную части, тогда как ионы хлорида натрия преимущественно остаются в водной среде.
Поверхностное натяжение воды равно 0,073 Н/м, а раствора моющего средства — 0,031 Н/м. Нужно найти изменение и определить, проявляет ли средство поверхностную активность. Сравним конечное значение с исходным, сохраняя единицы измерения.
Ответ: поверхностное натяжение снизилось на 0,042 Н/м, поэтому моющее средство проявляет поверхностную активность. Проверка здравого смысла: значение для раствора меньше, чем для чистой воды, значит знак изменения должен быть отрицательным.
При концентрации 0,010 моль/л поверхностное натяжение равно 0,064 Н/м, а при 0,030 моль/л — 0,052 Н/м. Рассчитаем среднюю активность по формуле a = −Δσ/Δc. Здесь Δσ и Δc — изменения натяжения и концентрации между двумя измерениями.
Ответ: средняя поверхностная активность равна 0,60 Н·л/(м·моль). Для вывода, какое из двух веществ активнее, нужно знать активность второго вещества, рассчитанную на сопоставимом интервале концентраций.
Считать поверхностно-активным любое растворимое в воде вещество — ошибка: растворимость говорит о взаимодействии с растворителем, но не о накоплении у границы. Так думают, потому что растворение заметно, а расположение частиц не видно. Проверьте себя: есть ли данные об изменении натяжения или о поверхностной адсорбции?
Путать адсорбцию с абсорбцией — значит смешивать накопление на поверхности с поглощением всем объёмом вещества. Термины похожи, поэтому их легко перепутать. Проверка простая: приставка «ад-» в данном понятии связана с поверхностью, а при абсорбции вещество проникает в объём поглотителя.
Считать, что любое увеличение концентрации ПАВ пропорционально снижает натяжение, неверно: поверхность может постепенно насыщаться молекулами. Ошибка возникает из-за привычки ожидать прямую пропорциональность между количеством вещества и результатом. Сверьте несколько значений: если при одинаковом приросте концентрации снижение σ становится меньше, пропорциональность нарушается.
Определять активность только по одному значению поверхностного натяжения нельзя: важны концентрация и изменение σ при её изменении. Можно ошибочно решить, что меньшая σ автоматически означает большую активность. Для проверки сравните Δσ/Δc в сопоставимых условиях, а не отдельные значения натяжения.
Для понимания поверхностной активности нужны знания о строении молекул, полярности химической связи и водородных связях: они помогают объяснить взаимодействие частей молекулы с водой. Понятия раствора и концентрации нужны, чтобы описывать состав среды и сравнивать активность при разных количествах вещества. Эти знания применяются при изучении моющих средств, смачивания, эмульсий, коллоидных растворов и флотации. Похожий принцип избирательного взаимодействия частей молекул важен и для понимания биологических мембран.
Почему мыло легче распределяется по поверхности воды, чем сахар?
Молекулы мыла амфифильны: их гидрофильные части взаимодействуют с водой, а гидрофобные стремятся уйти от неё. Поэтому молекулы собираются на границе вода–воздух и понижают поверхностное натяжение. Сахар хорошо растворяется, но не имеет такой выраженной двойственной структуры и заметно не накапливается на поверхности.
Всегда ли вещество с меньшим поверхностным натяжением является более поверхностно-активным?
Нет: поверхностная активность определяется тем, как меняется поверхностное натяжение при изменении концентрации вещества. Низкое значение может быть связано с природой самой жидкости или раствора. Для сравнения веществ учитывают изменение натяжения при сопоставимых условиях и концентрациях.
Чем поверхностно-активное вещество отличается от растворённого вещества?
Растворённое вещество просто распределено в объёме раствора, а ПАВ заметно накапливается на границе раздела фаз и меняет поверхностное натяжение. Поэтому не всякое растворимое соединение является поверхностно-активным. Например, сахар растворяется в воде, но обычно не проявляет выраженной поверхностной активности.
Почему ПАВ накапливаются именно на границе раздела фаз?
Части молекулы ПАВ по-разному взаимодействуют с разными фазами. В воде гидрофильная часть располагается в растворе, а гидрофобная избегает контакта с водой и ориентируется к воздуху. Такое положение оказывается энергетически выгоднее, чем нахождение всей молекулы в воде.
Можно ли считать моющее действие ПАВ прямым следствием уменьшения поверхностного натяжения?
Понижение поверхностного натяжения помогает воде лучше смачивать поверхности и проникать в загрязнения. Но моющее действие не сводится только к этому: ПАВ также помогают отделять и удерживать частицы жира в растворе, в том числе в составе эмульсий. Поэтому это важный, но не единственный механизм.
21.1. Поверхностная активность
