С понятием «поверхность» связано представление о поверхностных явлениях. Что такое поверхностные явления и в чем причина их возникновения?
Поверхностные явления – это процессы, возникающие на любой границе раздела двух или нескольких фаз и приводящие к изменению свойств веществ при переходе от протяженного тела к межфазным поверхностным слоям.
Эти явления обусловлены тем , что контактирующие фазы различаются по структуре и, соответственно, по физико-химическим свойствам. Следовательно, силовое поле, действующее на структурные элементы вещества (молекулы, ионы, атомы, атомные группировки, ассоциаты), которые находятся в поверхностных слоях и контактируют с другими фазами, будет отличаться от силового поля, которое действует на структурные элементы вещества в объеме тела. И чем больше различия в свойствах фаз, тем сильнее будут выражены различия в свойствах межфазной поверхности и объема каждой из фаз.
Наиболее наглядно представить поверхностные явления можно на примере границы раздела жидкость/газ. В объеме жидкости на каждую молекулу действуют одинаковые по величине силы взаимного притяжения со стороны соседних молекул, т. е. силовое поле симметрично. Поэтому средние во времени равнодействующие этих сил равны нулю. Молекулы, расположенные в поверхностном слое жидкости, испытывают притяжение со стороны находящихся под ними «объемных» молекул, но это притяжение компенсируется лишь частично их притяжением к молекулам газовой среды из-за низкой плотности воздуха и гидрофобности его молекул. Поэтому для поверхностных молекул жидкости равнодействующая молекулярных сил не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Иными словами, молекулы в поверхностном слое находятся в двумерном энергетически нескомпенсированном состоянии в отличие от трехмерного (компенсированного) состояния молекул в объеме. Таким образом, молекулы поверхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией (отметим, что энергия частиц поверхностного слоя в некоторых случаях может быть и меньше средней энергии частиц в объеме). Влияние поверхности раздела фаз на свойства дисперсных систем связано именно с наличием на межфазной поверхности избыточной энергии (поверхностной энергии).
Все особенности дисперсных систем, связанные с поверхностными явлениями (например, поверхностное натяжение, способность к адсорбции, высокая реакционная способность и т. п.), обусловлены избыточной энергией, которой обладают атомы и молекулы в поверхностных слоях, по сравнению с атомами и молекулами в глубине тела (в объеме), а также малым размером частиц. Благодаря избыточной поверхностной энергии и малому размеру частиц вещество в дисперсном состоянии приобретает уникальные свойства. Эти свойства человек с древних времен использует в повседневной жизни (часто даже не задумываясь об этом), в науке и производстве. Без сомнения Вам тоже знакомы такие примеры.
Вспомните, как Вы поступаете при разжигании костра. Для того чтобы разжечь огонь, Вы не берете толстый картон или толстые ветки, а используете тонкую бумагу и мелкие щепки, которые воспламеняются гораздо легче. И чем тоньше щепки, тем легче происходит воспламенение. Это объясняется тем, что с уменьшением размера щепки, с одной стороны, увеличивается площадь контакта молекул воздуха с материалом древесины, а с другой стороны, увеличивается доля расположенных на поверхности щепки молекул, которые обладают повышенным запасом энергии и, соответственно, повышенной реакционной способностью, в том числе и в процессе горения. Известны случаи, когда взвесь очень мелкой древесной, сахарной или мучной пыли в воздухе взрывается от искры, т. е. горение в этом случае происходит с чрезвычайно большой скоростью. Так, 10 г муки или крахмала или 35 г сахара, распыленные в 1 м3 воздуха уже составляют взрывчатую смесь. При сгорании 1 г распыленного сахара в 3,7 дм3 воздуха температура доходит до 4300 °С, а давление – до 20 атм.
Аналогичные закономерности справедливы не только для процесса горения, но и для всех физико-химических процессов (химических и электрохимических реакций, растворения и др.). Например:
-растворение веществ происходит гораздо быстрее после их измельчения;
-повышенная реакционная способность высокодисперсных частиц широко используется в промышленности для синтеза высокоактивных катализаторов;
-величина сигнала всевозможных датчиков и сенсоров на действие отравляющих и горючих газов, ионов, света и других видов излучения возрастает во много раз при использовании в качестве чувствительных элементов материалов, полученных в наноразмерном (1-100 нм) состоянии;
-для проведения твердофазных синтезов (спекание твердых оксидов, металлов с оксидами и т. п.) реагирующие вещества предварительно тщательно измельчают, что позволяет существенно снизить температуру синтеза, избежав тем самым огромных затрат энергии; кроме того, иногда температура взаимодействия реагентов в массивном (не раздробленном) состоянии превышает температуру их разложения, и провести синтез в таких условиях невозможно.
Важно отметить, что получение материалов в наноразмерном состояния (1-100 нм) приводит не только к повышению их реакционной способности, но и к изменению целого ряда их физико-химических свойств, что в некоторых случаях может вызвать изменение механизмов различных реакций с участием таких систем. Данное утверждение особенно справедливо для процессов с участием наноразмерных полупроводниковых материалов, электронная структура и, соответственно, свойства которых чрезвычайно чувствительны к адсорбции различных веществ и действию излучений. Хорошо известно также, что для многих металлов и полупроводников (Ag, Au, Pb, Sn, In, Bi, Ga, CdS) наблюдается сильное понижение температуры плавления при их переводе в наноразмерное состояние.
Помимо рассмотренных выше уникальных свойств дисперсных систем, связанных с поверхностными явлениями, можно выделить ряд специфических свойств дисперсных систем, которые обусловлены именно малым размером частиц и малой массой (оптические свойства, диффузия, седиментация). Такие свойства будут рассмотрены ниже.