Тема адсорбция на поверхности жидкостей

ТЕМА 9. Адсорбция на поверхности жидкостей

Основные и наиболее характерные свойства коллоидного состояния определяются наличием поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой, и особым состоянием вещества в поверхностных слоях на границах раздела фаз. Поверхностные явления обусловлены особыми свойствами молекул поверхностных слоев по сравнению с молекулами, находящимися в объеме тела. Молекулы в объеме тела окружены такими же молекулами и поэтому их силовые поля полностью скомпенсированы. В поверхностном слое молекулы взаимодействуют, с одной стороны, с себе подобными, а с другой – с молекулами второй фазы, в результате чего равнодействующая молекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю, а направлена вглубь той фазы, с которой взаимодействие больше (рис. 9.1).

Рис. 9.1 – Механизм возникновения поверхностного натяжения

Нескомпенсированность силовых полей поверхностных молекул приводит к возникновению поверхностного натяжения () – силы, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность, по касательной к поверхности, и стремящейся ее сократить. С точки зрения термодинамики поверхностное натяжение есть частная производная от любого термодинамического потенциала по площади межфазной поверхности (s) при постоянстве естественных переменных и состава системы:

Наиболее часто поверхностное натяжение выражают через производную от энергии Гиббса (G), ибо условия P,T = const легко осуществимы экспериментально:
(9.1)
Поверхностное натяжение можно представить, как энергию переноса молекул из объема тела на поверхность или как работу образования единицы поверхности. Как следует из определений, поверхностное натяжение измеряется в Дж/м² или Н/м. Атомы и молекулы жидкости или твердого тела, находящиеся на поверхности, обладают большей энергией, чем внутри конденсированных фаз; они появляются на поверхности в результате разрыва определенных связей, благодаря чему и обладают большей потенциальной энергией. Дополнительную энергию, обусловленную особым состоянием «поверхностных» молекул называют поверхностной энергией. При P,T = const поверхностная энергия системы (G^s ) равна произведению поверхностного натяжения (фактор интенсивности) () на площадь поверхности раздела фаз (фактор емкости) (s):
G^s =  ∙ s (9.2)
Самопроизвольное стремление к уменьшению поверхностной энергии может быть реализовано за счет уменьшения межфазной поверхности при постоянном поверхностном натяжении, либо поверхностного натяжения при неизменной межфазной поверхности (5.2):



На границе твердого тела с газом или жидкостью также существует избыточная поверхностная энергия. Однако в отличие от легкоподвижных границ ж-г и ж-ж трактовка этой величины как поверхностного натяжения затруднена вследствие необратимости процессов образования новой поверхности, а также дефектов кристаллической решетки, вносящих свой вклад в поверхностную энергию. В связи с этим для твердых тел правильнее говорить об удельной поверхностной энергии.

В случае энергетической трактовки σ в качестве единиц измерения также используется эрг/см²

Соотношение между единицами σ в разных системах:

1 Дж·м^-2 = 1000 эрг/см² = 1 Н·м^-1 = 1000 дин/см = 1000 мДж/м.

Имеет смысл обратить внимание на то, что оба определения σ как силы, приходящейся на единицу длины, и энергии, приходящейся на единицу площади, в данном случае вполне эквивалентны, поскольку работу увеличения поверхностного слоя в тангенциальной плоскости всегда можно формально представить, как работу против силы, действующей в этой плоскости.

В состоянии равновесия тело стремится сократить площадь поверхности, чтобы уменьшить поверхностную энергию. Чтобы создать поверхность раздела фаз площади S, необходимо совершить работу, равную
𝐴 = 𝜎 ∙ 𝑆 (9.3)
где σ – коэффициент поверхностного натяжения.
Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности при постоянной температуре и давлении на единицу. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от вида контактирующих фаз, температуры, полярности жидкости и т.д.
Если участок поверхности раздела фаз ограничен некоторым контуром,
то возникают силы поверхностного натяжения, приложенные к этому
контуру. Их величина пропорциональна длине участка контура L, на который
они действуют:
𝐹 = 𝜎 ∙ 𝐿 (9.4)
Таким образом, поверхностное натяжение имеет два физических смысла: