Поверхностные явления

Все высокодисперсные системы имеют очень большую пло­щадь поверхности раздела фаз. Согласно уравнению G = σ ∙ S, они обладают большим избытком поверхностной энергии Гиббса. По второму началу термодинамики, такие системы термодинами­чески неустойчивы. Они стремятся самопроизвольно уменьшить эту энергию и перейти в устойчивое равновесное состояние с ми­нимальным значением энергии Гиббса.

Самопроизвольные процессы в дисперсных системах, иду­щие с уменьшением избыточной поверхностной энергии, назы­ваются поверхностными явлениями.

Согласно уравнению (1.1), энергия Гиббса может быть умень­шена либо за счет уменьшения σ, либо за счет уменьшения S. По­этому существует два вида поверхностных явлений:

а) идущих за счет уменьшения площади поверхности, ΔS<0, σ = const: коагуляция, коалесценция, спекание порошков, конденсация мел­ких капель в крупные.

б) идущих за счет уменьшения поверхностного натяжения Δσ < 0, а S=const – это все виды сорбции: адсорбция, абсорбция, смачи­вание.

Сорбция. Адсорбция.

Сорбцией называют процесс поглощения одного вещества другим веществом. Из многих явлений сорбции наибольшее ме­дико-биологическое значение имеет адсорбция.

Адсорбция(“ад”- на) – самопроизвольный процесс накопле­ния какого-либо вещества на поверхности раздела фаз, ведущий к уменьшению поверхностного натяжения, а значит и уменьшению избыточной поверхностной энергии.

Обратный процесс удаления с поверхности адсорбированного вещества называют десорбцией. Вещество, на поверхности кото­рого идет адсорбция, называется адсорбентом (уголь в противо­газе), а адсорбированное вещество – адсорбатом (поглощенный из воздуха углем хлор или аммиак). Проникновение адсорбиро­ванного вещества в глубь адсорбента называют абсорбцией («аб» - в). Абсорбцией является растворение газов в жидкости. Терми­нология адсорбции видна из рисунка 1.3. Адсорбция всегда ведет к уменьшению поверхностного натя­жения, а значит и уменьшению избыточной поверхностной энер­гии. Система становится более устойчивой.

Физическая и химическая адсорбция.

В зависимости от природы химических связей, которыми ад­сорбат удерживается на поверхности адсорбента, различают два вида сорбции: физическую и химическую.

При невысоких температурах обычно имеют место оба вида адсорбции, а при высоких – преобладает хемосорбция.

Изотерма адсорбции

Адсорбцию количественно обозначают буквой Г (гамма). Это количество вещества адсорбата, накопленного на единице пло­щади поверхности адсорбента, Г, моль/м². Для твердых адсор­бентов из-за трудности определения площади поверхности ад­сорбцию измеряют в моль/г.

Адсорбция зависит от многих факторов: от природы адсор­бата и адсорбента, температуры, концентрации адсорбата. Зависимость адсорбции от концентрации адсорбата при по­стоянной температуре называют изотермой адсорбции. Эта зави­симость может быть выражена математически или графически. Наиболее типичной изотермой адсорбции является изотерма Лэн­гмюра. (рис 1.4)

1.8. Адсорбция из раствора на поверхности раздела «газ-жидкость» .

Для дисперсной системы газ – чистый растворитель единст­венной возможностью самопроизвольного уменьшения избыточ­ной поверхностной энергии является уменьшение площади по­верхности. Например, конденсация мелких капелек тумана в бо­лее крупные капли дождя.

Для растворов есть еще одна возможность уменьшения G – это уменьшение поверхностного натяжения за счет адсорбции из раствора на поверхности раздела фаз растворенного вещества. Растворенные вещества по-разному влияют на поверхностное натяжение жидкости (рис.1.5.). Существуют вещества, которые не изменяют поверхностное натяжение жидкости (например, сахароза в воде); их называют поверхностно-неактивными, ПНВ.

Вещества, увеличивающие поверхностное натяжение, назы­вают поверхностно инактивными, ПИВ. Это сильные электро­литы. Силы взаимодействия между их ионами выше, чем между молекулами растворителя.

Особое значение имеют вещества, уменьшающие поверхностное натяжение жидкости.

Вещества, самопроизвольно адсорбирующиеся из раствора на поверхности раздела фаз и уменьшающие поверхностное натяже­ние (а значит и избыточную поверхностную энергию), называ­ются поверхностно-активными веществами, ПАВ.

Молекулы ПАВ имеют особое «дифильное» строение. Их принято изображать в виде «головастиков». Они имеют неполяр­ный гидрофобный

хвост и полярную гидрофильную го­ловку, R-X. Неполярный хвост – это чаще всего углеводородный радикал.