С. Ш.Құмарғалиева коллоидтық химия

ЕРІМЕЙТІН ЗАТТАРДЫҢ БЕТТІК ҚАБЫРШЫҚТАРЫ

жүктеу 5,89 Mb.

бет	40/105
Дата	25.10.2023
өлшемі	5,89 Mb.
	#44020

1 ... 36 37 38 39 40 41 42 43 ... 105

treatise128700

9. ЕРІМЕЙТІН ЗАТТАРДЫҢ БЕТТІК ҚАБЫРШЫҚТАРЫ

9.1. Беттік қабыршықтар туралы түсінік

Беттік қабыршық дегеніміз – компоненттері көлемдік фазада кездеспейтін беттік қабат. Ерімейтін заттардың судың және сулы ерітінділердің бетіндегі қабыршықтары кеңінен таралған.
Сұйық-газ бөліну бетіне суда ерімейтін затты қондырғанда, ол жұқа, көптеген жағдайда мономолекулалық қабыршық түзеді. Мұндай жүйелер Гиббс моноқабаттарына сәйкес термодинамикалық тәуелділіктермен сипатталғанымен, оларға қатысты Гиббс әдісін қолдануға болмайды, себебі ерітіндідегі ерімейтін заттың концентрациясын анықталмайды. Бірақ қабыршықтарды зертеу барысында ерітіндінің концентрациясы зертеушілерді қызықтырмайды, сондықтан қабыршықтардың зерттеулері беттік қабатты сипаттайтын шамаларды тікелей өлшеуге негізделеді.

Сұйық беттердегі ерімейтін заттар қабыршықтарының зерттеулері 4000 жыл бұрын жүргізілген, Плиний мен Плутарх майдың толқындарға тыныштандырғыш әсерін байқаған. 1774 жылы Бенджамин Франклин бұл құбылысқа сандық сипаттама берді: 1 шай қасық май 0,2 га су бетінде жайылады. Камфора бөлшектерінің су бетіндегі ретсіз қозғалуы олеин қышқылын тамызғанда тоқтайтынын 1890 жылы Рэлей байқап, олеин қышқылының мөлшері қалыңдығы 16Ả қабыршық түзуге жеткілікті екенін көрсетті. Бұл нәтиже олеин қышқылы молекуласының өлшемдері мен молекулалық салмағын, яғни Авогадро санының минимал шамасын анықтауға мүмкіндік туғызды.

Осы уақытта Поккельс қозғалмалы тосқауыл арқылы қабыршық ауданын реттеуге болатынын көрсетті. Ол қабыршықтың беттік керілуі қабыршықтың меншікті ауданы ~20 Ả²/молекула (Поккельс нүктесі) шамасына жеткенше ғана азаятынын байқады. 1889 жылы Рэлей қабыршықтағы молекулалар Поккельс нүктесінде бір біріне тиіп тұрады деген қорытынды шығарды. Поккельс нүктесіндегі қабыршықтың сығылуы жүйенің бос энергиясының азюына әкеледі.
Дево көрсеткендей, кейбір қабыршықтар қозғалмалы болып, тез бұзылады, ал басқа қабыршықтар қатты болады.
1917 жылы Ленгмюр мономолекулалық қабаттарды зерттеуінің жаңа әдісін ұсынды. Ол ұсынған құралда қабыршықтың бір жағына қатты қозғалмалы тосқауыл, ал екінші жағына қалқып жүретін тосқауыл орнатылады. Бұл құрал қалқып жүретін тосқауылға әсер ететін күшті, яғни қабыршықтағы қысымды (π) тікелей өлшеуге мүмкіндік туғызды. Ленгмюр көрсеткендей, Поккельс нүктесінде пальмитин, стеарин және церотин қышқылдары үшін бір молекулаға келетін аудан 21 Ả² құрайды. Көмірсутекті радикалында 15-26 көміртек атомы бар молекулалар Поккельс нүктесінде вертикал орналасады.

Бейполярлы (полярсыз) көмірсутекті радикалындағы көміртек атомдарының саны көп (n_c > 12) бір негізді майлы қышқылдары үшін) органикалық қосылыстардың қабыршықтары ерімейді, сонымен қатар, қабыршық түзілу үшін зат су бетінде жайылу керек.

Су бетінде (жіңішке) жұқа линза (θ ≈ 0^o) күйінде болатын «май» тамшысының жайылу шарты:

мұндағы β – жайылу коэффициенті, σ_су, σ_май, σ_су/май – су-ауа, май-ауа және су-май шекараларындағы бетік керілулер.

Бұл шарт полярлы топтары бар, сумен жақсы әрекеттесетін молекулаларға қатысты орындалады. Мысалы, кейбір заттар су бетінде өздігінен жайылады (олеин қышқылы С₁₇Н₃₃СООН). Мұндай процесті екі өлшемді еру деп атауға болады. Басқа заттардың (стеарин қышқылы С₁₇Н₃₅СООН) қабыршықтарын алу үшін осы заттың ұшқыш ерітіндісін бетке қондыру керек.
Қабыршық үлкен ауданға жайылса, мономолекулалық қабат түзіледі, себебі қабыршық ауданының артуымен жүйенің беттік бос энергиясы кемиді. Молекулалар арасындағы когезия қабыршықтың тартылуына әкеліп, түзілген моноқабат тығыз болады. Егер су бетіне ұсақ шаң сеуіп, «май» тамызса, қабыршық жайыла келе бөлшектерді шетке қарай ығыстырады. Яғни қабыршықтың ауданын (s) табуға болады. Сонымен қабыршықтағы моль (молекула) саны да белгілі , себебі зат ерімейді, яғни толығымен қабыршықта болады.
(s) және шамаларын тікелей өлшеу мүмкіндігі БАЗ беттік қабаттарының зерттеуіне қарағанда артықшылығы болып табылады. Мысалы, бір молекуланың қабыршықтағы ауданы (А₀) мен Франклин көрсеткендей, қабыршықтың қалыңдығын анықтауға болады (σ = V/S).
Тәжірибелік мәліметтер бойынша, ауданы жеткілікті болса, қабыршық моноқабат күйінде болады, ал аудан аз жағдайда, моноқабатта артық майдың линзалары (тамшылары) түзіледі. Егер аудан үлкен бола тұрып, қабыршықтың айналасында судың бос беті қалатын болса, қабыршықтан кинетикалық энергиясы когезиялық әрекеттесулердің энергия-сынан артық болатын молекулалар «ұшып» шығады (мұндай «ыстық» молекулалардың саны Больцман заңымен анықталады). Нәтижесінде тығыз мономолекулалық қабыршықтың айналасын «тегіс» қабыршықпен динамикалық тепе-теңдікте болатын екі өлшемді газдың қабыршығы алады.
Су бетінде жайылатын май молекулалары бөгеумен соқтығысып, тальк бөлшектерін немесе су бетіндегі бөгеуді жылжытып, беттік қысым (π) көрсетеді.
Егер π-ді dx қашықтыққа жылжитын бөгеудің ұзындық бірлігіне көрсететін молекулалар соқтығысу күші деп алсақ, осы күштің жұмысын есептеуге болады:

мұндағы l – бөгеу ұзындығы.

Бұл жұмыс судың бос бетін (энергиясы σ₀) қабыршық жайылатын бетке ауыстырғандағы беттік бос энергияның өзгеруіне тең.

,

яғни
.

Бұл теңдеу беттік қабат күйінің теңдеуіне эквивалентті, бірақ жүйелердің басқа түріне – беттік қабыршықтар үшін шығарылған. Және бұл теңдеудегі π шамасы формалды енгізу арқылы емес, қозғалмалы бөгеуді жылжытатын реалды молекулалық соққыларды қарастыру арқылы алынған. Қозғалмалы бөгеуді динамометрлық құралмен жалғастырып беттік қысымды дәл өлшеуге болады.

Қабыршықтар фазаларды бөлу беттің механикалық қасиеттерімен қатар басқа да, мысалы оптикалық және электрлік қасиеттерін өзгертеді. Сондықтан қабыршықтарды оптикалық және электрлік әдістер арқылы зерттейді.
Оптикалық әдістерден ультрамикроскоп және полярланудың эллипстік күйін зерттеу әдістерін қарастырайық. Ультрамикроскоп әдісінде кардиоидты немесе параболоидты конденсорларды қолданады. Бұл конденсорлар кюветаның түбіне бекітіліп, су бетіне қондырылған қабыршыққа фокусталады. Нағыз мономолекулалық қабыршықта Тиндаль эффектісі байқалмайды. Эффектінің пайда болуы ұсақ май тамшыларының немесе қабыршықты ластайтын заттардың бар екенін көрсетеді. Яғни ультрамикроскоп қабыршықтың мономолекулалығын және тазалығын бағалауға мүмкіндік береді.
Фрейндлих 1922 жылы ұсынған тәсіл бойынша қабыршықтан жазық полярланған жарық сәулесін өткізгенде полярланудың эллипстілігі пайда болады. Эллипстілік екі бір-біріне перпендикуляр электрлік вектордың қатынасымен сипатталады. Эллипстіліктің артуы қабыршықтың қалындауын немесе оның құрамының өзгеруін көрсетеді. Осы әдісті эллипсметрлік деп атайды.
Электрлік әдістерді қабыршықтың құрылымы мен оларда жүретін химиялық реакцияларды зерттеу үшін қолданады. Фрумкин 1924 жылы ұсынған классикалық әдіс бойынша қабыршықтың электрлік потенциалын өлшейді. Бұл әдісте полярлы молекулалар диполь, ал қабыршық электрлік жазық конденсатор ретінде қарастырылады. Дипольдің электрлік векторы ұзын тізбекті молекуланың геометриялық осінің бойымен жүргізіледі. Егер осы вектор мен нормаль арасындағы бұрыш θ-ға тең болса, заряд (q, кл/Ом²) пен конденсатор қалыңдығының d көбейтіндісімен анықталатын конденсатордың электрлік моменті молекулалық моменттердің қосындысына тең болады:

,

мұндағы γ – 1 см²-ге молекулалар саны, μ^' – дипольдің нормалды құрамшысы:

Жазық конденсатордың потенциалы белгілі өрнекпен анықталады:

мұндағы – диэлектрлік өткізгіштік. Осы теңдеуге qd және μ^΄ мәндерін қойып, келесі теңдеуге келеміз:

мұндағы .

Қабыршықтағы γ шамасын біле отырып, электрлік әдіс арқылы θ шамасын, яғни қабыршықтағы молекулалардың орналасуын бағалауға болады.

жүктеу 5,89 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 ... 36 37 38 39 40 41 42 43 ... 105