фізико-хімія поверхневих явищ

фізико-хімія поверхневих явищ

В любих гетерогенних системах, особливо у високодисперсних, природа межи між частинками дисперсної фази і дисперсійним середовищем, молекулярна будова межі поділу і фізико - хімічні взаємодії, що відбуваються на ній, визначають багато чисельні явища і процеси, які характерні для заданої системи.

Керування фізико - хімічними явищами на межі поділу дисперсних фаз дозволяє вирішити такі задачі, як закріплення грунтів (зниження їх осідання і утворення плавунів), тонко регулювати процеси структуроутворення в глинистих суспензіях, які застосовують при свердлуванні, забезпечувати рухливість і незлипання ниток, коли їх прядуть, знижувати водопотребу цементних розчинів і маслопотребу фарб, або, наприклад, забезпечувати добру адгезію бітуму до гравію, щебеню в асфальтобетоні. На межі поділу фаз у живому організмі і рослинах відбуваються біохімічні процеси обміну і синтезу речовин, ферментативні реакції і інші процеси, які пов’язані з життєдіяльністю організмів і рослин. Крім того, вони характеризуються ще і ступенем полідисперсності, тобто розмірністю кривої розподілу – її основою d ’ min – d ’ max – повним інтервалом частинок і їх ймовірним діаметром d 0. Велика міжфазна поверхня, яка притаманна дисперсним системам, визначає особливо важливу роль, яку грають в них явища, що відбуваються на межі поділу фаз, - поверхневі явища. Молекулярні сили, які діють на молекули у поверхневому шарі та в об’ємі рідини (r – рівнодіюча сил молекулярної взаємодії) молекула а, що міститься у поверхневому шарі на межі поділу фаз, перебуває під впливом молекулярних сил взаємодії з боку прилеглих до неї молекул, які розміщені як на поверхні поділу фаз, так і знизу під нею. Таким чином, величина може розглядатися не тільки як питома поверхнева енергія, але одночасно як сила, яка прикладена до одиниці довжини контуру, що оточує поверхню, і направлена вздовж цієї поверхні перпендикулярно до контуру.

Підвищення температури супроводжується пропорційним послабленням сил міжмолекулярної взаємодії, тому при досягненні критичної температури (т = т кр) = 0. З наведених значень поверхневого натягу випливає, що величина поверхневого натягу води в порівнянні з поверхневим натягом інших рідин має найбільшу величину.

Де - міжфазний натяг на межі поділу першої рідини у другій, та другої у першій; - поверхневий натяг на межі з газовою фазою рідини 2 у рідині 1 та рідини 1 у рідині 2 відповідно. Для отримання зв’язку поверхневої енергії з енергією зчеплення молекул в об’ємі конденсованої фази введена величина w к, яка називається роботою, або енергією когезії. Ця величина може бути визначена як робота, яку необхідно здійснити в оборотному ізотермічному процесі розділення на дві частинки стовпчика одиничного перерізу.

За мікроскопічною теорією гамакера і де - бура роботу когезії визначають як результат підсумовування дисперсійних взаємодій між молекулами, які містяться в двох полунескінченних об’ємах конденсованої фази, що розділені плоским перерізом шириною h (рис. Величина енергії взаємодії фаз u mol дорівнює енергії взаємодії молекул, що знаходяться в нескінченно довгому циліндрі одиничного перерізу s над площиною q 1, з молекулами у всьому об’ємі, розташованому над площиною q 2. На відміну від когезії, коли робота витрачається на подолання сил зчеплення між однорідними молекулами, робота адгезії w а пов’язана з енергією взаємодії різнорідних молекул (атомів). Краплина рідини на поверхні твердого тіла представляє собою шаровий сегмент з висотою н, радіусом кривизни r і радіусом кола трьохфазного контакту (периметр змочування) r 1 (рис. Розглядаючи поверхневі натяги як сили, що прикладені перпендикулярно до одиниці довжини периметру змочування і що діють по дотичній до відповідних поверхонь (рис. При вибірковому змочуванні, тобто коли кожна з рідин окремо змочує поверхню, встановлюється такий крайовий кут, який відповідає доброму змочуванню тією рідиною, спорідненість якої з цією твердою поверхнею більше.

Якщо вода добре, ніж карбон гідроген, вибірково змочує поверхню, тобто, то поверхню називають гідрофільною (олеофобною); якщо поверхня добре змочується неполярним карбонгідрогеном, тобто, то таку поверхню твердого тіла називають гідрофобною (олеофільною). Важливою кількісною характеристикою енергетики змочування є теплота змочування – кількість енергії, що виділяється при змочуванні одиниці поверхні твердого тіла. Для високодисперсних систем характерна велика кривизна поверхні поділу фаз (шорсткість), тому необхідно враховувати її вплив при розгляданні термодинамічних властивостей таких систем. За рахунок рідина буде підніматися по капіляру до тих пір, поки капілярний тиск не зрівняється з гідростатичним тиском стовпчика рідини, що піднялася в капілярі, тобто. 1 – тверда фаза; 2 – ґрунтова вода; 3 – гідроскопічна волога; 4 – плівкова волога; 5 – капілярно - підвищена волога (капілярна кайма); 5а – капілярно - підперта волога; 6 – підвищена волога; 7 – ґрунтове повітря. Капілярні сили в більшості визначають зчеплення частинок і безпосередньо зв’язані з цим зчепленням механічні властивості грунтів, різних технічних, харчових, лікувальних і інших порошків і паст. Прагнення вільної поверхневої енергії (енергії гіббса) набути мінімально можливого значення може задовольнятися не тільки зменшенням поверхні поділу фаз , а й поверхневого натягу.

Проходження вільного процесу відбувається за рахунок утворення сферичної і гладкої рідкої поверхні, укрупнення частинок дисперсної фази (зменшення поверхні поділу фаз). Адсорбція – концентрування речовини (адсорбата) із об’єму фаз на поверхні поділу між ними, наприклад, із газу або розчину на поверхні твердого тіла (адсорбента) або рідини.

Якщо поверхневий натяг розчинника, наприклад води, більший від поверхневого натягу розчиненої речовини (органічна речовина), то остання проявляє поверхневу активність, тобто зменшує поверхневий натяг розчину (рис. Оскільки полярні групи дифільних молекул пар мають велику спорідненість до води, тому на межі полярного і неполярного середовища молекули пар орієнтуються полярними групами до води, а неполярні (карбонгідрогенний радикал) виштовхуються у газову фазу (повітря). А – в розбавлених моношарах (двомірний газ); б – при повному заповненні моношару (конденсований двомірний стан) внаслідок цього молекули пар частково (рис.