Что такое адсорбция и поверхностно активные вещества
Атомы и молекулы поверхностного слоя жидкости могут притягивать и удерживать находящиеся вблизи них атомы и молекулы другого газообразного, жидкого или твердого вещества. Этот процесс называется адсорбцией или поверхностным поглощением.
В результате адсорбции на поверхности жидкости образуется тонкая пленка, состоящая из нескольких слоев молекул поглощенного вещества. Адсорбироваться на поверхности могут также и вещества, растворенные в жидкости. Таков механизм образования, например, мыльной пленки. Она состоит из тонкого слоя воды, который с обеих сторон покрыт слоем адсорбированных из раствора молекул мыла.
Наиболее активно адсорбируются вещества, которые при этом компенсируют молекулярные силы, действующие в поверхностном слое жидкости, и соответственно снижают ее поверхностное натяжение. Такие вещества называются поверхностно-активными по отношению к данной жидкости.
Поверхностно-активными веществами для воды являются, например, эфир, спирт, нефть и в особенности мыло.
Пример поверхностно активных свойств
На поверхностно-активных свойствах мыла основано, например, его моющее действие. Мыла представляют собой натровые и калиевые соли высокомолекулярных жирных кислот (например, формула простейшего натрового мыла C17H35—COONa).
На одном конце молекулы мыла находится углеводородная цепочка (на рис. обозначена черточкой), на другом— полярная карбоксильная группа (обозначена кружком). Углеводородный конец молекулы мыла гидрофобен, он отталкивается от молекул воды и имеет сродство к жирам.
Наоборот, полярная группа гидрофильна — она позволяет сродство к атомам водорода, входящим в состав молекулы воды. В связи с этим при растворении молекулы мыла концентрируются в поверхностном слое, где связываются с молекулами воды своими полярными группами; гидрофобные концы молекул при этом выступают из воды в окружающую среду (рис., б). Силы, действующие на поверхностные молекулы воды и направленные в глубь жидкости, при этом ослабляются, в этом причина снижения поверхностного натяжения в мыльном растворе.
Вещества, загрязняющие поверхность одежды, кожи тела человека и т. п. (рис., а), обычно содержат частицы пыли, сажи и т. п., смешанные с частицами минеральных, растительных и животных жиров. Они легко смачивают различные поверхности и в то же время сами не смачиваются чистой водой, что затрудняет их отмывание.
Мыльная вода со сниженным во много раз поверхностным натяжением и выступающими наружу углеводородными концами молекул мыла смачивает загрязнения проникает в мельчайшие поры между ними и отмываемой поверхностью (рис., б и в). С помощью механических воздействий (трение, вибрация раствора и т. п.) загрязнения отделяются (рис., г) и удаляются вместе с водой.
Если поверхностно-активные вещество действует только на какой-либо ограниченный участок поверхности жидкости, то поверхностное натяжение может вызвать движение молекул в остальной части поверхности.
В качестве примера рассмотрим опыт, называемый живой каплей. Капля К (рис. 2, а) жидкости свободно взвешена в среде с такой же плотностью. Если на каплю в точке а подействовать поверхностно-активным веществом, поверхностное натяжение ее в этой области снизится. Поверхностное натяжение в остальной части капли, стремясь уменьшить ее поверхность, будет выдавливать жидкость в области точки а наружу.
Если действие поверхностно-активного вещества будет продолжаться, то капля будет нарастать в этой точке и сокращаться с противоположной стороны. При этом она будет перемещаться в сторону, где действует вещество (рис. 2, б). Этот опыт может служить, например, моделью образования ложноножек (псевдоподий) и движения лейкоцитов при фагоцитозе.
Адсорбция твердых тел
Адсорбция происходит также на поверхности твердых тел. Высокой адсорбционной способностью обладают пористые вещества, в частности уголь, который поглощает не только газы, но и жидкости, вместе с растворенными в них веществами. На этом основании, например, порошки из белой глины и активированного (т. е. освобожденного прокаливанием от смолистых примесей и мелко раздробленного) угля применяются в медицине в качестве средства для поглощения имеющихся в кишечнике вредных жидкостей и газов.
Явление адсорбции, которое в наиболее общем значении понимается как концентрация веществ, содержащихся в фазах физико-химической системы, на поверхности раздела между этими фазами весьма распространены в живой природе. Животные и растительные организмы представляют сложные физико-химические системы, в которых имеются многочисленные поверхности раздела различных фаз, в связи с чем адсорбция является первым звеном очень многих протекающих в них физико-химических процессов.
Статья на тему Поверхностно активные вещества