Коллоидная химия

Многогранные пузырьки газа разделены тонкими прослойками жидкой дисперсионной среды. В зоне соприкосновения трех пленок, принадлежащих трем соприкасающимся пузырькам, образуется канал Плато (по имени известного бельгийского ученого Ж. Плато, занимавшегося исследованием устойчивости дисперсных систем), В плоскости рисунка (рис. 17.2 ) канал имеет форму зазора между тремя соприкасающимися цилиндрами - пузырьками газа. Так как натяжение пленок - поверхностное натяжение жидкости) одинаково, силы натяжения их в одной плоскости уравновешиваются только при одинаковых углах (120) между пленками (первое правило Плато).

В каждой вершине многогранника (ячейки) сходятся четыре канала, образуя угол, равный 10928' (второе правило Плато). Место пересечения каналов называется узлом. Каналы пронизывают всю структуру пены, представляя собой цельную систему. Получается пространственная конструкция, в разрезе похожая на пчелиные соты. Такая пена характеризуется минимальной поверхностной энергией, следовательно, она наиболее устойчива.

Если же пена полидисперсна (пузырьки газа имеют разные размеры), форма правильного пентагонального додекаэдра нарушается, что приводит к снижению устойчивости. Следует отметить, что если бы концентрация дисперсной фазы была меньше 74% (объемных) - пузырьки газа имели бы сферическую форму, и толщина жидких прослоек была бы соизмерима с размерами газовых пузырьков, мы имели бы систему, называемую газовой эмульсией. Примерами газовых эмульсий являются газированная вода, шампанское в бокале и т.д. Газовые эмульсии, в отличие от пен, являются бесструктурными системами.

Несмотря на то, что пузырьки газа могут иметь макроразмеры, пена является микрогетерогенной системой. Это обусловлено тем, что дисперсионная среда (жидкость) хотя и является непрерывной, представляет собой тонкие пленки, имеющие микроразмеры (пленки часто обнаруживают интерференцию - радужную окраску, что показывает, что толщина пленки соизмерима с длиной световой волны). Это дало основание П.А. Ребиндеру определить пены как пластинчато-диспергированную жидкость в газе.

5.3.1.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕН

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

где - объем пены, - объем жидкости, которая использована для получения пены. Оба объема легко измерить.

ГОСТ определяет условия, при которых следует определять кратность пены. В градуированный цилиндр емкостью 1000 следует налить 98 воды и 2 пенообразователя, закрыть пробкой и встряхивать в течение 30 с (двумя руками держать с торцов в горизонтальном положении и встряхивать вдоль оси цилиндра). Поставить на стол, вынуть пробку, измерить объем пены. Отношение объема пены к объему раствора (100 ) и есть кратность пены.

Таким образом, кратность пены показывает, сколько объемов пены можно получить из одного объема жидкости. Если кратность пены , пены называют жидкими, а если в пределах - сухими.

В строительстве и производстве стройматериалов используют пены с от 5 до 10, в прачечных - с кратностью . Для пожаротушения применяют пены с от 70 до 90. Известны также пены с кратностью до 1000.

5.3.2.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕН

Установлено, что образование сколько-нибудь устойчивой пены в чистой жидкости невозможно. Пену можно получить только в присутствии специального вещества - стабилизатора, часто называемого пенообразователем.

Основные стадии образования пены можно проследить на примере поведения нескольких пузырьков газа, всплывающих в воде, содержащей пенообразователь. В качестве пенообразователя возьмем ПАВ. Как только в таком растворе появятся пузырьки газа, на их поверхности начнут адсорбироваться молекулы ПАВ и образуют своеобразную "шубу", состоящую из одного слоя молекул. Всплывая, каждый пузырек достигает поверхности жидкости, давит на нее, растягивает и образует полусферический купол. Молекулы пенообразователя из раствора устремляются к растущей поверхности, адсорбируются на ней, предотвращая разрыв пленки жидкости. Таким образом, пузырек оказывается окруженным оболочкой уже из двух монослоев пенообразователя, между которыми находится пленка жидкости.

Адсорбционные слои ПАВ обеспечивают длительное существование возникающих пленок. Увеличение числа пузырьков на поверхности раствора приводит к их сближению, при этом форма пузырьков постепенно переходит из сферической в многогранную, а толщина жидких перегородок уменьшается, возникают тонкие жидкие пленки. В результате на поверхности раствора сначала образуется монослой газовых пузырьков, затем формируются последующие слои, что приводит к возникновению объемной пены. В результате вся жидкость превращается в пену.