Поверхневі явища

1. Тема лекції: «Поверхневі явища. Загальна
характеристика»
Кафедра фізичної та колоїдної хімії
Національний фармацевтичний університет
Лектор: доцент
Бондаренко
Наталія Юріївна

2. План лекції:
1. Поверхневі явища та їх значення для фармації.
2. Основні поняття та визначення.
3. Поверхневий натяг розчинів. Рівняння Шишковського.
4. Поверхнева активність. Правило Дюкло-Траубе.
5. Змочування.
Література:
1. Кабачний, В. І. Лекції з фізичної хімії : навч. посіб. для студ.
вищ. фармац. навч. закл. / В. І. Кабачний, Л. Д. Грицан,
Т. О. Томаровська, Л.К. Осіпенко; за ред. В. І. Кабачного. —
Х. : НФаУ: Золоті сторінки, 2012. – 280 с.
2. Физическая и коллоидная химия / В. И. Кабачный,
Л. К. Осипенко, Л.Д. Грицан и др. – 2-е изд., перераб. и доп.
– Х. : Изд-во НФаУ, 2010. – 432 с.
Кафедра фізичної та колоїдної хімії

3. ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА
ТА ЇХ ЗНАЧЕННЯ ДЛЯ
ФАРМАЦІЇ
Кафедра фізичної та колоїдної хімії

4. Поверхневі явища (ПЯ) – це сукупність явищ, які
спостерігаються на межі розділу фаз. До них відносяться
поверхневий натяг, адсорбція, змочування, адгезія, когезія та ін.
ПЯ відіграють велику роль у процесах обміну речовин,
фармакодинаміці та фармакокінетиці лікарських речовин. Для
лікарських форм з високорозвинутою поверхнею (золі, суспензії,
емульсії, мазі, пасти, лініменти) вивчення ПЯ необхідно для
надання їм стабільності та тривалого терміну зберігання, а також
визначає можливість опрацювання раціональних технологій
виробництва різних лікарських форм та умов їх застосування.
Також ПЯ визначають біодоступність лікарських форм, а
відтак, обумовлюють їх терапевтичний ефект.
Кафедра фізичної та колоїдної хімії

5. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ
ТА ВИЗНАЧЕННЯ
Кафедра фізичної та колоїдної хімії

6. ПЯ обумовлені силами міжмолекулярної взаємодії, які
особливо проявляються на поверхні розділу фаз.
Модель геометричної поверхні розділу рідина–газ
а – молекула у об‘ємі рідини; притягується
молекулами, розташованими на відстані
радіусу дії молекулярних сил (δ∼109
м);
b – молекула поблизу поверхні.
Поверхневий натяг є результатом існування внутрішнього
nиску – сили, яка втягує поверхневі молекули всередину рідини і
спрямована перпендикулярно до поверхні.
Кафедра фізичної та колоїдної хімії
В
Рідина
А
Газ
δ
δ
δ
a
b

7. Кафедра фізичної та колоїдної хімії
Для збільшення площі поверхні рідини необхідно здійснити
роботу проти сил внутрішнього тиску. У зворотньому ізотермічному
процесі робота, необхідна для створення одиниці поверхні, дорівнює
питомій вільній енергії поверхні: , де
σ – поверхневий натяг. За фізичним змістом визначення σ – це
максимальна ізотермічна робота утворення одиниці поверхні
[σ] = Дж/м2
. Силове визначення σ – це сила, яка діє у напрямку
дотичної, проведеної до поверхні розділу фаз, і намагається зменшити
площу поверхні до найменших розмірів при даному об‘ємі [σ] = Н/м.
Робота утворення нової поверхні витрачається на подолання сил
міжмолекулярного зчеплення (когезії) під час переходу молекул
речовини з об'єму тіла у поверхневий шар. Рівнодіюча
міжмолекулярних сил в поверхневому шарі не дорівнює нулю (як в
об'ємі тіла) та спрямована всередину фази з більшою когезією.
dSGdW ⋅==− σΔ

8. Поверхневий натяг різних рідин неоднаковий і залежить
від температури, полярності молекул, здатності утворювати
водневі зв’язки та ін. Він може слугувати мірою
інтенсивності сил взаємодії між молекулами речовини.
З підвищенням температури поверхневий натяг
зменшується, тому що середня відстань між молекулами
збільшується, а відтак зменшуються сили міжмолекулярної
взаємодії; і при критичній температурі (температура, вище
якої речовина не може знаходитись у рідкому стані)
дорівнює 0.
Кафедра фізичної та колоїдної хімії

9. ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ
РОЗЧИНІВ. РІВНЯННЯ
ШИШКОВСЬКОГО
Кафедра фізичної та колоїдної хімії

10. Кафедра фізичної та колоїдної хімії
Усі речовини за впливом на поверхневий натяг розчинника
для поверхні розділу водний розчин–повітря поділяють на:
 поверхнево-активні (ПАР);
 поверхнево-неактивні (ПНАР);
 поверхнево-індиферентні (ПІндР ).
ПАР нагромаджуються у поверхневому шарі, а відтак
знижують поверхневий натяг води. Наприклад: R–ОН, R–СОН,
R–СООН, R–NH2, R–SO3H та ін.
Характерні особливості ПАР:
 дифільність молекули;
 σ менше, ніж σ0 води;
 погана розчинність у воді.

11. Дифільність – це наявність в одній молекулі одночасно
полярної групи і неполярного вуглеводневого або
ароматичного радикалу.
Полярна група добре гідратується і обумовлює
спорідненість ПАР до води. Гідрофобний радикал є
причиною низької розчинності ПАР у воді.
Кафедра фізичної та колоїдної хімії
Гідрофобний радикал
Гідрофільна група
(—СООН, —NH2, —SO3H, — ОН)

12. ПНАР знаходяться у глибині фази розчину і, взаємодіючи з
розчинником, дещо підвищують поверхневий натяг розчину.
Наприклад: усі неорганічні електроліти – кислоти, основи, солі, а
також, як виключення, деякі органічні (форміатна або аміноацетатна
кислоти).
Характерні особливості ПНАР:
 відсутність дифільності;
 добра розчинність у воді;
 σ більше, ніж σ0 води.
ПІндР – рівномірно розподіляються між поверхневим шаром і
об'ємом розчину і не впливають на поверхневий натяг води або
іншого розчинника.
Наприклад: цукри майже не змінюють поверхневий натяг води
(галактоза, глюкоза, фруктоза, мальтоза, лактоза та ін.).
Кафедра фізичної та колоїдної хімії

13. Кафедра фізичної та колоїдної хімії
Залежність поверхневого натягу від концентрації ПАР
виражається емпіричним рівнянням Шишковського:
σ0 – σ = a·ln(1+ b·с), де а, b – константи рівняння Шишковського.
а – коефіцієнт, який характеризує конкретний гомологічний ряд,
b – питома капілярна стала, яка залежить від природи розчиненої
речовини. Графічна залежність σ = f (с) при
Т = const має назву ізотерми поверхневого
натягу. Для ПАР та ПНАР ізотерми мають
вигляд кривих 1 і 2 відповідно, для ПІндР
ізотерма набуває вигляду прямої, паралельної
осі абсцис.
3
σ0
1
2
σ

14. ПОВЕРХНЕВА АКТИВНІСТЬ.
ПРАВИЛО ДЮКЛО-ТРАУБЕ
Кафедра фізичної та колоїдної хімії

15. Кафедра фізичної та колоїдної хімії
Поверхнева активність є мірою здатності речовини
знижувати поверхневий натяг на межі розділу фаз.
Абсолютне значення та її знак залежать від природи
речовини і розчинника. Якщо з підвищенням концентрації
речовини поверхневий натяг на межі розділу фаз
знижується, що спостерігається для ПАР, то g > 0. Для
ПНАР – g < 0.
0→






−=
cdc
d
g
σ

16. Кафедра фізичної та колоїдної хімії
Способи графічного визначення
поверхневої активності
Метод дотичних: якщо провести
дотичну до ізотерми поверхневого
натягу в точці А, то тангенс кута
нахилу цієї дотичної до осі абсцис,
буде дорівнювати поверхневій
активності g1.
Метод відрізків: похідну
поверхневого натягу за концентрацією
з деяким наближенням замінюють
відношенням кінцевих, але малих
величин Δσ і Δс і розраховують
поверхневу активність.
12
12
cccdc
d
−
−
=≈
σσ
∆
σ∆σ
11 tgα
σ
−=−=
dc
d
g
сс1
σ
Аσ1
σ0
α1
А
σ2
σ1
σ
c1
c
c2 c
σ

17. Кафедра фізичної та колоїдної хімії
Правило Дюкло–Траубе
Експериментально встановлено, що поверхнева активність
жирних кислот, спиртів та інших сполук у водних розчинах
однакової концентрації зростає в однакову кількість разів при
збільшенні довжини вуглеводневого радикалу на групу –СН2–:
де K ~ 3,2-3,5.
Цю закономірність графічно
можна представити таким чином
(див. рис.) У такому вигляді правило справедливе лише для водних
розчинів.
,1
K
dc
d
dc
d
n
n
=












+
σ
σ
Мурашина кислота НСООН
Оцтова кислота СН3СООН
Пропіонова кислота С2Н5СООН
н-Масляна кислота С3Н7СООН
н-Валеріанова кислота С4Н9СООН
н-Капронова кислота С5Н11СООН
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 с, моль/дм3
σ0
60
70
50
40
30
σ·103
,
Дж/м2

18. ЗМОЧУВАННЯ
Кафедра фізичної та колоїдної хімії

19. Змочування – це сукупність явищ, які відбуваються на межі трьох
фаз. Мірою змочування є рівноважний кут, який нанесена краплина
утворює з твердою поверхнею. Його визначають як кут між поверхнею
твердого тіла і дотичною в точці дотику трьох фаз і називають кутом
змочування (θ). Кут змочування завжди вимірюють з боку рідини; він
може змінюватись від 0 до 180°.
Кафедра фізичної та колоїдної хімії
1
1
σт-г > σт-р
σр-г
2
θ
σт-г σт-р 3σр-г cоs θ
2
σт-г < σт-р
σр-г
3 σт-р σт-г
θ
1 – рідина, 2 – газ, 3 – тверде тіло

20. Дякую за увагу!