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.

Рис. 1.3. Схема, поясняющая явления адсорбции

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.

		ХИМИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ (ХЕМОСОРБЦИЯ) Например, адсорбция кисло­рода на поверхности алюминия с образованием нового вещества, пленки оксида алюминия. Происходит химическое взаи­модействие адсорбата с поверх­ностью адсорбента – образуются прочные кова­лентные или ионные связи, ΔН ~ -100кДж/моль - необратима - с повышением температуры хемосорбция увеличивается.
	ФИЗИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ Например, адсорбция хлора на поверхности активированного угля в противогазе. Адсорбат удерживается на поверхности адсорбента слабыми силами Ван-дер-Ваальса, иногда водородными связями. – их энергия невелика, ΔН ~ –(5÷10)кДж/моль - обратима, сопровождается десорбцией - с ростом температуры физическая адсорбция уменьшается, возрастает скорость обратного процесса - десорбции.

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)

Рис.1. 4. Изотерма адсорбции Лэнгмюра

.

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.

	Рис. 1.5 Изотермы поверхностного натяжения

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.