Тема 4 Гетерогенные химические системы и поверхностные явления в них (спецраздел)
Рекомендуемая литература:[1], гл. 10, §§ 10.1-10.3, 105, 108; [2], гл. 6, §§ 6.5, гл. 8, §8.7; [4], гл. 9, § 1-6.
Гетерогенные химические системы (ГХС) состоят из нескольких фаз.
Фаза – это часть ГХС, однородная по химическому составу и агрегатному состоянию во всех своих точках и отделенная от других частей системы границей раздела (межфазной поверхностью).
Гетерогенные химические системы бывают со сплошными границами раздела фаз (например, жидкость в емкости в контакте с воздухом), а могут быть дисперсными.
Дисперсные ГХС – гетерогенные системы, в которых частицы одной фазы, называемой дисперсной, находятся в раздробленном (диспергированном) состоянии и равномерно распределены между частицами другой фазы, называемой дисперсионной средой (например, сырая нефть, содержащая природные поверхностно-активные вещества, в воде). В отличие от гомогенных дисперсных систем (истинных растворов), размеры частиц дисперсной фазы в гетерогенных дисперсных системах (ГДС) превышают ионно-молекулярный уровень.
Природа веществ, образующих фазы, различна, поэтому на межфазной поверхности (МП) возникают нескомпенсированные молекулярные силы и, как результат, избыточная поверхностная энергия Гиббса:
DGпов = s.S, кДж,
где S (м2) – суммарная площадь поверхности раздела фаз, s (кДж/м2) – удельная поверхностная энергия Гиббса, т.е. приходящаяся на единицу поверхности раздела фаз. Для систем с конденсированными фазами s называют поверхностным натяжением.
Стремление ГХС уменьшить значение DGпов обусловливает возникновение в них поверхностных явлений: смачивание, адгезия, сорбция (адсорбция или абсорбция), а в гетерогенных дисперсных системах еще возникает агрегация и коагуляция.
Смачивание – это межмолекулярное взаимодействие на границе раздела фаз между веществами двух конденсированных фаз, находящихся в контакте с газовой фазой. Полное (растекание) или частичное смачивание поверхности одной фазы веществом другой фазы оказывается возможным только если эти вещества способны к какому-либо межмолекулярному взаимодействию (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и др.).
Адгезия – это смачивание, завершаемое прилипанием одной фазы к поверхности другой фазы.
Адсорбция – это концентрирование вещества, растворенного в одной фазе (эта фаза представляет собой истинный раствор), на поверхности другой фазы, т.е. на границе раздела фаз. Вещество, которое адсорбируется – адсорбат; вещество, на поверхности которого происходит адсорбция – адсорбент. Процесс адсорбции обратим и достигает состояния равновесия. Обратный процесс – десорбция.
В основе адсорбции лежит тот или иной вид межмолекулярного взаимодействия между адсорбатом и адсорбентом на границе раздела фаз. Существует правило: подобное адсорбируется на подобном, т.е. полярные вещества адсорбируются на полярных адсорбентах и наоборот.
Смачивание и адсорбция приводят к частичной компенсации нескомпенсированных молекулярных сил на границе раздела фаз и в результате – к снижению удельной поверхностной энергии s, а, следовательно, и к уменьшению DGпов.
Особую роль играет адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ). Молекулы ПАВ дифильны, они в своей структуре имеют неполярный гидрофобный фрагмент и полярный гидрофильный фрагмент. Благодаря такому строению молекулы ПАВ могут адсорбироваться на любой межфазной поверхности: полярной частью на полярной поверхности, а неполярной частью на неполярной поверхности.
В результате адсорбции ПАВ происходит уравнивание полярностей поверхностей фаз на границе их раздела и, как результат – снижение s и DGпов.
Отличительным признаком действия ПАВ является возрастание эффекта снижения поверхностного натяжения (s) по мере увеличения концентрации ПАВ (т.е. степени адсорбции) на границе раздела фаз (до момента достижения равновесия).
Гетерогенные дисперсные системы (ГДС) имеют громадное множество границ раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды. В результате этого суммарная площадь поверхности раздела фаз (S) и, следовательно, DGпов в ГДС очень значительны. Гетерогенные дисперсные системы имеют возможность самопроизвольного уменьшить величину S путем слипания или слияния частиц дисперсной фазы. Такое явление называется агрегацией. В результате укрупнения частиц дисперсной фазы их масса растет, и в какой-то момент происходит их оседание под действием сил тяжести. Такое явление называется седиментацией. Агрегация, приводящая к седиментации и имеющая необратимый характер, называется коагуляцией. В результате коагуляции происходит разрушение ГДС.
Стабилизация ГДС может быть достигнута в результате адсорбции ПАВ или возникновения двойного электрического слоя на границах раздела частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. Возможность действия этих факторов определяется природой частиц фазы и среды.
В зависимости от размера частиц дисперсной фазы ГДС подразделяются на коллоидные растворы (размер частиц фазы 10-7 – 10-5 см) и взвеси (размер частиц фазы более 10-5 см). Взвеси подразделяются на микрогетерогенные системы (размер частиц 10-5 – 10-3 см) и грубодисперсные системы (размер частиц 10-3 – 1 см).
По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды ГДС подразделяются на следующие разновидности (табл. 4.1):
Таблица 4.1 – Разновидности гетерогенных дисперсных систем
| Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Обозначение (фаза/среда) | Название |
| Газообразная (Г) | Жидкая (Ж) Твердая (Т) | Ж/Г Т/Г | Аэрозоли |
| Жидкая (Ж1) | Газообразная (Г) Жидкая (Ж2) Твердая (Т) | Г/Ж1 Ж2/Ж1 Т/Ж1 | Жидкие пены Эмульсии Суспензии |
| Твердая (Т1) | Газообразная (Г) Жидкая (Ж) Твердая (Т2) | Г/Т1 Ж/Т1 Т2/Т1 | Твердые пены, пористые тела Капиллярные системы, твердые эмульсии Сплавы, минералы |