Краткие теоретические положения.

Пены – грубодисперсные высококонцентрированные системы, в которых дисперсной фазой являются пузырьки газа, а дисперсионной средой – жидкость в виде тонких пленок. Условно пены обозначаются в виде дроби: Г/Ж.

Пену, как любую дисперсную систему, можно получить двумя путями: из грубодисперсных систем, используя диспергационные методы (пены готовят в основном этими методами), и из истинных растворов с помощью конденсационных методов.

Диспергационные методы основаны на дроблении газа на пузырьки при подаче его в раствор пенообразователя. Обычно небольшие порции газа вводят в раствор и дробят их до мелких пузырьков. Легче всего этого добиться, продувая газ через трубку, опущенную в жидкость.

При конденсационных методах получения газовая фаза присутствует сначала в виде отдельных молекул, из которых затем образуются пузырьки.

Механизм образования всех пен в основном одинаков и не зависит от способа их получения. Пузырьки воздуха (или другого газа) в жидкости сначала образуют эмульсию «газ-жидкость», затемони поднимаются вверх, образуют на своей поверхности пленку и наслаиваются друг на друга, в результате этого образуется пена.

Пены имеют сотообразную структуру: пузырьки газа полиэдрической формы отделены друг от друга тонкими прослойками жидкости (рисунок 2).

Чтобы пузырьки газа имели форму многогранников, пена должна быть высококонцентрированной: объем дисперсной фазы в ней должен быть больше 74%. Если же концентрация окажется меньше, то пузырьки примут сферическую форму, а пена превратится в газовую эмульсию.

Рис. 2. Схема строения пены

В пенах пузырьки газа прижаты друг к другу тонкой прослойкой дисперсионной среды – пенными пленками. Система находится в устойчивом равновесии, когда контакт осуществляется между тремя пузырьками. Пленки жидкости между этими пузырьками образуют треугольник Плато, углы между пленками примерно 120° (рис. 3). В местах, где стыкуются пленки, образуются утолщения, называемые каналами. Такая пена характеризуется минимальной поверхностной энергией, следовательно, она наиболее устойчива.

Рис. 3 Поперечное сечение канала Плато

1 – пленка жидкости;

2 – канал.

Классификация пен часто основывается на такой важной характеристике как кратность пены:

где V _п – объем пены;

V_ж – объем жидкости, которая использована для получения пены.

Кратность пены показывает, сколько объемов пены можно получить из одного объема жидкости. Если кратность пены β ≤ 10, пены называют жидкими, а если β в пределах 10 < β ≤ 1000 – сухими.

Другой важной характеристикой пен является время существования пены.

Время существования пены – время, которое проходит с момента образования пены до ее самопроизвольного разрушения.

Пены, как и другие дисперсные системы, являются термодинамически неустойчивыми системами. Их образование сопровождается увеличением свободной энергии. Избыточная энергия вызывает процессы, которые ведут к уменьшению дисперсности и разрушению ее как дисперсной системы:

1. Диффузионный перенос газа из мелких пузырьков в более крупные и из поверхностных пузырьков во внешнююсреду. В этом проявляется агрегативная неустойчивость.

2. Стекание дисперсионной среды под действием силы тяжести. В этом состоит седиментационная неустойчивость пен.

3. Указанные процессы ведут к утончению пенных пленок и их постепенному разрушению.

Устойчивыми пены получаются только в присутствии специальных веществ (стабилизаторов) – пенообразователей. В качестве пенообразователей обычно используются: коллоидные ПАВ; ВМС. Адсорбционные слои, образуемые этими веществами, стабилизируют пенные пленки, замедляя вытекание из них жидкости.

Разрушение пен можно вызвать следующими способами: введением пеногасителей, путем нагрева, воздействия ультразвука и электрического поля.

Пеногасители делят на две групп. К первой группе относят вещества, вступающие в реакцию с пенообразователем и меняющим его природу. Например, если к пене, стабилизированной олеатом натрия, добавить НСl, то произойдет реакция

C₁₇H₃₃COONa + HCl → C₁₇H₃₃COOH + NaCl

и пенообразователь из сильного электролита – олеата натрия – превратится в слабый – олеиновую кислоту, что приведет к разрушению пены вследствие потери ею устойчивости.

К другой группе относятся вещества, обладающие высокой поверхностной активностью, но не способные образовывать прочные адсорбционные пленки. К ним относятся средние гомологи спиртов, например, октиловый спирт, кетоны, полиамиды жирных кислот, пропиленгликоли, сложные эфиры и пр. Эти вещества способны вытеснять молекулы пенообразователя из поверхностного слоя, делая его менее прочным и способствуя разрыву стенок пузырьков пены. Например, добавление к пене, стабилизированной желатином, ацетона приводит к разрушению пены.

Приборы и реактивы.

1. Секундомер.

2. Мерные цилиндры емкостью 50 – 100 см³.

3. Водный раствор олеата натрия (1 %-ный).

4. Водный раствор неонола АФ 9-12 (1 %-ный).

5. Водный раствор желатина (1 %-ный).

6. Водный раствор ДНС 83 (1 %-ный).

7. Дистиллированная вода.