6. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

В случае растворов поверхностные свойства существенно зависят от того, понижает ли растворенное вещество поверхностное натяжение растворителя или же, наоборот, повышает. Если растворенное вещество понижает поверхностное натяжение растворителя, то в силу стремления свободной энергии жидкости к минимуму, растворенное вещество будет по возможности полнее переходить в поверхностный слой. Очевидно, такое вещество будет плохо растворяться в жидкости, собираясь преимущественно в поверхностном слое. Подобные вещества называют поверхностно-активными. Первые порции поверхностно-активного вещества практически целиком собираются в поверхностном слое. Накопление их в этом слое продолжается до тех пор, пока вся поверхность жидкости не окажется занятой молекулами поверхностно-активного вещества.

Наоборот, вещества, повышающие поверхностное натяжение растворителя, будут преимущественно собираться в толще жидкости, а поверхностный слой будет состоять практически из чистого растворителя. Эти вещества называют поверхностно-неактивными.

По отношению к воде поверхностно-активными веществами являются многие органические соединения. Молекулы этих веществ велики, и различные части молекул могут по-разному взаимодействовать с водой. Сказанное легко проследить на примере различных жирных кислот. Молекулы их состоят из более или менее длинной цепочки углеродных атомов, оканчивающейся с одной стороны так называемой кислотной группой, способной при растворении отделять положительно заряженный атом водорода, а с другой стороны — атомом углерода, соединенным с тремя атомами водорода.

На рисунке 54 изображены структурные формулы уксусной и нормальной валериановой кислот. Если так называемые кислотные группы в правой части цепочек заменить группами такими же, какие стоят в молекулах слева, то образуются соединения, называемые в химии парафинами.

Парафины нерастворимы в воде. Растворимость жирных кислот обусловлена наличием кислотной группы —

Если углеводородная цепь в кислоте невелика — кислота хорошо растворяется в воде. Кислоты с большой углеводородной цепью в воде практически нерастворимы. Будучи добавлены к воде, молекулы этих веществ собираются в поверхностном слое.

Рис. 54. Структурные формулы жирных кислот.

Как показали опыты, молекулы поверхностно-активных веществ располагаются в поверхностном слое упорядочение. Для того чтобы убедиться в этом, было определено весовое количество различных кислот, которое необходимо для того, чтобы покрыть сплошь поверхность воды слоем кислоты толщиной в 1 молекулу. Подобные опыты были проделаны для кислот, начиная от пальмитиновой, содержащей углеродную цепочку из 15 атомов углерода до церотиновой, в которой углеводородная цепь содержит уже 25 атомов углерода Зная молекулярные веса соответствующих соединений, было нетрудно вычислить, сколько молекул соответствующего поверхностно-активного вещества располагается на одном квадратном сантиметре мономолекулярного слоя, и определить площадь на поверхности, занимаемую одной молекулой. При этом оказалось, что для всех кислот эта площадь приблизительно одна и та же и равна Такой результат опытов можно объяснить, только предположив, что молекулы указанных соединений располагаются в поверхностном слое наподобие частокола или хлебных колосьев на поле. Погруженной в воду оказывается при этом кислотная группа — которая и занимает в

поверхностном слое указанную выше площадь. Углеводородная цепочка оказывается торчащей из воды, поэтому она не влияет на размеры площади, занимаемой молекулой на поверхности воды (рис. 55).

Поверхностные явления вообще и поверхностно-активные вещества, в частности, играют важную роль в технике. Поверхностно-активными веществами являются различные мыла. Мыла увеличивают смачиваемость водой загрязненной поверхности и облегчают удаление частиц загрязнения с поверхности твердого тела. Кроме того, мыла удерживают частицы загрязнения, когда последние находятся уже в водной среде.

Особенно большое значение для техники имеет использование поверхностных явлений в процессе обогащения руд, называемом флотацией.

Рис. 55. Молекулы поверхностно-активных веществ в поверхностном слое.

Рис. 56. Схема флотации.

Как правило, кусочки руды плохо смачиваются водой, но хорошо смачиваются жирными органическими веществами. Напротив, пустая порода, всегда встречающаяся вместе с рудой, хорошо смачивается водой и плохо маслами. Если загрузить раздробленную руду вместе с породой в воду, в которой в виде мельчайших капелек находятся специальные масла, то кусочки породы окажутся смоченными водой, а кусочки руды — маслом. Интенсивно вспенивая образовавшуюся массу и отделяя часть, уходящую вместе с пеной от той, которая падает на дно сосуда, можно значительно обогатить руду содержащимися в ней ценными минералами. Обогащение достигается в результате того, что присутствующие в пене пузырьки воздуха (рис. 56) прилипают к маслянистому слою, обволакивающему кусочки руды, и уносят их вместе с пеной на поверхность. К смоченным водой кусочкам пустой породы, удельный вес которой обычно меньше удельного веса руды, воздушные пузырьки не прилипают, и пустая порода падает на дно.

Изменяя флотореагент, как называют добавленное для флотации вещество, можно не только обогащать руду ценными материалами,

но и производить разделение руд, если одновременно вместе с породой присутствуют несколько различных минералов. В этом случае первоначально вместе с пеной удаляется один из минералов, а второй уходит вместе с пустой породой и выделяется при повторении флотационного процесса с применением иного флотореагента.