ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Методы получения и разрушения пен. Практическое значение пен из "Курс коллоидной химии" Устойчивость пен зависит от природы и концентрации пенообразователя. Со временем пленки между пузырьками пены становятся тоньше вследствие стекания жидкости, пузырьки лопаются, пена разрушается и, наконец, вместо пены остается одна жидкая фаза — раствор пенообразователя в воде или другой жидкости. [c.387] Устойчивость пен можно характеризовать временем существования пены, т. е. временем, прошедшим с момента образования пены до момента полного ее разрушения. Другой способ оценки устойчивости пены заключается в пропускании с заданной скоростью через вспениваемую жидкость пузырьков воздуха и определения равновесной высоты образующегося при этом столба пены. Постоянная высота столба пены устанавливается в тот момент, когда скорость разрушения пены равна скорости пенообра-зования и, очевидно, может служить мерой устойчивости пены. Устойчивость пены удобно изучать также по времени жизни отдельного газового пузырька на поверхности жидкости, граничащей с воздухом. С этой целью пузырек воздуха выдавливают в жидкость с помощью капилляра, с загнутым концом. Пузырек всплывает и, достигнув поверхности, задерживается там на некоторое время, прежде чем лопнет. Это время жизни пузырька обычно пропорционально времени существования столба пены в целом. [c.387] Существенно, что во время пребывания пузырька воздуха на поверхности жидкости пленка, покрывающая пузырек, становится все тоньше, о чем иногда можно судить по изменению интерференционных цветов пленки. Когда пленка достигает толщины меньше 0,01 мкм, интерференция становится уже почти незаметной, пленка темнеет, так как почти не отражает света, и затем через некоторое время разрушается. Однако в особых условиях, когда исключены испарение жидкой среды, сотрясения и другие внешние воздействия, пены могут существовать неограниченно долго. Например, Дьюару удалось обеспечить существование мыльного пузыря в течение трех лет. [c.387] По наблюдению Б. В. Дерягина и А. С. Титиевской мыльная пленка, достигшая наименьшей толщины, состоит из двух монослоев молекул пенообразователя, разделенных полимолекулярным слоем воды. [c.387] Сравнительно малое время существования пены и тот факт, что разрушению ее пузырька всегда предшествует стекание жидкости в пленке пены, приводит к выводу, что устойчивость пены в обычных условиях носит кинетический характер, а роль пенообразователя сводится в значительной степени к замедлению стекания жидкости. [c.387] Мыла дают гораздо более устойчивые пены, чем спирты и кислоты, очевидно благодаря наличию в их молекулах ионогенной группы. Так же, как для спиртов и кислот, максимальная устойчивость пены отвечает мылам со средней длиной углеводородного радикала и их растворам средней концентрации. [c.388] Иначе ведут себя высокомолекулярные пенообразователи. Время существования пен в этом случае очень велико и может составлять в обычных условиях сотни и даже тысячи секунд. При этом время существования пен всегда тем больше, чем выше концентрация высокомолекулярного пенообразователя. [c.388] Весьма интересны исследования над черными пленками, начатые еще Перреном. Если наблюдать отдельную свободную пленку (или пузырек), образованную из достаточно концентрированного раствора мыла (например, олеата натрия), то легко заметить, что пленка постепенно становится все более тонкой, меняя цвета интерференции. После достижения толщины в 1000 А пленка становится белой. При дальнейшем утоньшении пленки количество отраженного света уменьшается, пленка становится серой, а отдельные ее участки приобретают неодинаковую толщину. [c.389] Существенно, что неодинаковое утоньшение пленки, образованной из концентрированных мыльных растворов, происходит ступенеобразно. В наиболее тонких участках пленка приобретает совершенно черный цвет. [c.389] Веллс провел ряд измерений толщины мыльных пленок с по мощью интерферометрических и колориметрических методов и нашел, что толщина черной пленки в несколько раз меньше толщины наиболее тонкой части обычной пленки, что согласуется с опытами Перрена. Минимальная толщина черной пленки составляла 42—45 А, что соответствует примерно удвоенной длине молекулы олеата натрия. [c.389] Шелудко и Эксерова (1961 г.) и Дюйвис (1962 г.) провели точные исследования толщины черной пленки, полученной из растворов поверхностно-активных веществ, и подтвердили результаты предыдущих исследований. Было найдено, что тончайшая пленка, полученная из раствора олеата натрия, имела толщину 40 А, в то время как толщина пленки, полученной из растворов смачивателей ОП-7 и ОП-20, составляла 85 и 100 А соответственно- Толщина этих пленок примерно в два раза больше длины молекулы поверхностно-активного вещества. Следует заметить, что такая малая толщина получается только при достаточной концентрации электролита в растворе. Если содержание электролита слишком мало, то образуются более толстые пленки, причем их равновесная толщина уменьшается постепенно с увеличением содержания электролита в полном соответствии с теорией ДЛФО. [c.389] Старение пены сопровождается также и уменьшением общего ее объема. Причина этого вполне понятна, если учесть, что газовую фазу над пеной надо рассматривать как один бесконечно большой пузырек, в который путем диффузии газ будет переходить из отдельных пузырьков пены. Де Фриз установил, что в стареющей пене квадрат радиуса малых пузырьков линейно уменьшается со временем. Такой вывод полностью отвечает теории, развитой на основе указанных выше представлений. [c.390] Причины устойчивости пен. Устойчивость пен можно объяснять разными факторами, а именно действием так называемого эффекта Гиббса, наличием у пленки сравнительно высокой поверхностной вязкости или особых механических свойств (структурно-механический фактор устойчивости) и существованием в приповерхностном слое пленки гидратных или двойных электрических слоев, препятствующих ее утоньшению (термодинамический фактор устойчивости). Рассмотрим последовательно эти три фактора устойчивости пены. [c.390] Совершенно очевидно, что упругостью в том смысле, в каком понимал ее Гиббс, могут обладать только пленки, полученные из растворов поверхностно-активных веществ. Пленки из индивидуальных жидкостей, обладающих постоянным поверхностным натяжением, не изменяющимся при их растяжении или сжатии, лишены подобной упругости, и поэтому получить из таких жидкостей устойчивые пены невозможно. Существенно также, что наиболее устойчивые пены обычно получаются из растворов поверхностноактивных веществ, обладающих не минимальным поверхностным натяжением, а способных наиболее резко изменять поверхностное натяжение с концентрацией. [c.391] При объяснении устойчивости реальной пены с точки зрения Гиббса следует иметь в виду особое строение этой системы. Именно благодаря своеобразной структуре пены эффект Гиббса вызывает значительные затруднения в стекании жидкости в пленках пены, что очень сильно сказывается на устойчивости всей системы. Каркас пены, как было показано, состоит из приблизительно плоских жидких пленок, являющихся стенками отдельных ячеек. Там, где сходятся три пленки, образуются ребра пузырька, в которых жидкость имеет сильно вогнутую поверхность. По законам капиллярности в этих местах жидкость имеет пониженное давление, что вызывает отсасывание ее из плоских частей каркаса пены в вогнутые. В результате этого в пленках пены возникает течение жидкости к ребрам. Это течение способствует самопроизвольному утоньшению пленок пены. Однако такое течение жидкости может происходить лишь внутри пленки, на поверхности оно невозможно из-за эффекта Гиббса. В самом деле, при течении жидкости от центральной части пленки к ребрам должно было бы увеличиться поверхностное натяжение в центральных частях пленки и в результате этого на поверхности ее тотчас возник бы противоток жидкости, направленный от ребер к центру, из-за чего течение прекратилось бы. Таким образом, стекание жидкости происходит так, как если бы поверхность пленки была неподвижной, т. е. жидкость как бы протекает по плоскому капилляру. Очевидно, стекание по такому капилляру происходит тем медленнее, чем тоньше пленка. [c.391] Рассмотренный фактор устойчивости является, по-видимому, определяющим для малоустойчивых пен, стабилизованных сравнительно низкомолекулярными пенообразователями. [c.392] Устойчивость высокоустойчивых пен объясняется существованием в пленках высоковязкого или механически прочного адсорбционного слоя из молекул пенообразователя. Такое объяснение было предложено впервые еще в прошлом столетии Плато, а затем особенно широко было развито в работах П. А. Ребиндера и его школы. П. А. Ребиндер считает, что на поверхности растворов мыл или мылоподобных веществ образуются высоковязкие адсорбционные слои с гелеобразным строением, диффузно распространяющиеся в глубь раствора. Эти слои, с одной стороны, замедляют стекание жидкости в пленке, с другой — придают пленке пены высокую структурную вязкость и механическую прочность. Однако исследования А. А. Трапезникова, Лоуренса и других исследователей показали, что стойкие пены могут получаться и тогда, когда не обнаруживается заметная поверхностная вязкость или структурно-механические свойства на границе раствор — воздух. [c.392] Перейдем теперь к объяснению стабильности высокоустойчивых пен с помощью термодинамического фактора устойчивости. [c.392] Эти исследования показали, что пленки, полученные из водных растворов олеата натрия, при утоньшении в результате наложения давления достигали некоторой постоянной толщины, которая дальше уже не изменялась. Равновесная толщина таких пленок составляла сотни ангстрем при малом содержании в пенообразующей жидкости электролитов. Наоборот, в достаточно концентрированных растворах электролитов равновесная толщина пленок была значительно меньше по сравнению с теоретически вычисленной. Последнее обстоятельство явилось прекрасным доказательством электростатической природы расклинивающего давления в этом случае. При сравнительно высоких концентрациях электролита (порядка 0,1 н, и более), когда диффузные ионные слои сжаты до предела, зависимость толщины пленки от концентрации не соблюдалась. Однако пленки при этом оставались устойчивыми. Это указывает на то, что при таких условиях в действие вступают уже силы отталкивания неэлектростатической природы, вероятно, связанные с гидратацией монослоев пенообразователя. Установленное Б. В. Дерягиным и А. С. Титиевской положение, что равновесные толщины адсорбированных пленок, как ионогенных, так и неионогенных пенообразователей не зависят от высоких концентраций электролитов, а также от температуры, указывает на специфическую структуру этих слоев, придающих им свойства особой граничной фазы. [c.393] Вернуться к основной статье