Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

šКузбасский государственный технический университетŸ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Кемерово 2010

Ким Нина Михайловна. Поверхностные явления и дисперсные системы [Электронный ресурс] : для студентов дневной формы обучения специальностей 240401 šХимическая технология органических веществŸ, 240301 šХимическая технология неорганических веществŸ, 240403 šХимическая технология природных энергоносителей и углеродных материаловŸ, 240502 šТехнология переработки пластических масс и эластомеровŸ, 240801 šМашины и аппараты химических производствŸ / Н.М. Ким. – Электрон. дан. Кемерово:

ГУ КузГТУ, 2010. – 1 электрон. опт. Диск (CD-ROM) ; чб.; 12 см. – Систем. требования: Pentium IV ; ОЗУ 8 Мб; Windous XP ; (CD-ROM-дисковод) ; мышь. - Загл. с экрана.

В пособии изложен краткий курс лекций по дисциплине šПоверхностные явления и дисперсные системыŸ. Рассмотрены вопросы адгезии, смачивания, адсорбции, электрических явлений на поверхности и др., а также основные свойства дисперсных систем (электрические, структурно-механические, оптические, молекулярно-кинетические), рассмотрена устойчивость и коагуляция, получение и очистка дисперсных систем. Представленное пособие отражает современный уровень развития данной дисциплины, в нем использованы новейшие литературные источники. Материал изложен в сжатой форме, что является удобным для студентов при подготовке к экзамену и тестированию. Краткость изложения материала не привела к снижению теоретического уровня, ясности и доступности изложения.

µ ГУ КузГТУ µ Ким Н.М.

Предисловие…………………………………………………………… 6 Введение……………………………………………………………….. 7

Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация дисперсных систем…………………………………………………... 8

1.1. Основные понятия и определения………………………………. 8

1.2. Классификация поверхностных явлений……………………… 10

1.3. Классификация дисперсных систем …………………………... 11

Глава 2. Термодинамика и строение поверхностного слоя …... 14 2.1.Свободная поверхностная энергия. Поверхностное

натяжение …………………………………………………………14

2.2. Методы определения поверхностного натяжения …………… 19

2.3. Факторы, влияющие на поверхностное натяжение ………….. 20

2.4. Термодинамика поверхности раздела фаз в Однокомпонентной системе……………………………………..21

2.5. Внутренняя (полная) удельная поверхностная энергия. Зависимость энергетических параметров поверхности от температуры …………………………………………………………. 22

2.6. Влияние природы и концентрации растворенного вещества на поверхностное натяжение…………………………23

2.7. Самопроизвольное уменьшение поверхностной энергии и формирование поверхностного слоя…..…………………29

2.8. Межмолекулярные и межфазные взаимодействия. Когезия. Адгезия. Смачивание и растекание жидкости……………..29

2.8.1. Когезия…………………………………………………………. 29

2.8.2. Адгезия …………………………………………………………30

2.8.3. Механизм процессов адгезии…………………………………32

2.8.3. Смачивание …………………………………………………… 33

2.8.4. Связь работы адгезии с краевым углом……………………... 35

2.8.5. Инверсия смачивания …………………………………………37

2.8.6. Флотация ………………………………………………………38

Глава 3. Адсорбционные равновесия …………………………… 39

3.1. Основные понятия и определения …………………………….. 39

3.1.1. Классификация адсорбции …………………………………... 41

3.1.2. Зависимость адсорбции от различных параметров …………42

3.3. Фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса ……….. 44

3.4. Адсорбция на границе раствор – газ ………………………….. 46

3.4.1. Уравнение изотермы адсорбции Гиббса ……………………. 47

3.4.2. Поверхностная активность. Правило Дюкло – Траубе …….. 49 3.5. Адсорбция на границе газ – твердое вещество ……………….. 53

3.5.1. Закон Генри …………………………………………………… 54

3.5.2. Мономолекулярная адсорбция. Изотерма адсорбции Ленгмюра……………………………………………………….. 56

3.5.3. Анализ и применение уравнения изотермы адсорбции Ленгмюра …………………………………………58

3.5.4. Связь уравнений Гиббса, Ленгмюра и Шишковского. Изотермы адсорбции и поверхностное натяжение растворов ПАВ………………………………………………… 62

3.5.5. Уравнение Фрейндлиха ………………………………………64

3.5.6. Теория полимолекулярной адсорбции.………………………65

3.5.7. Энергетические параметры адсорбции на однородной поверхности……………………………………………………..68

3.5.8. Теплота адсорбции …………………………………………….70

3.5.9. Кинетика мономолекулярной адсорбции …………………….71

3.5.10. Адсорбция газов и паров на пористых телах.

потенциальная теория Поляни …...………………………….74 3.6. Адсорбция на границе твердое тело – раствор…………………75

3.6.1. Молекулярная адсорбция ……………………………………...75

3.6.2. Адсорбция сильных электролитов…………………………….80

3.6.3. Ионообменная адсорбция (ионный обмен)………………….. 82

Глава 4. Электрические свойства дисперсных систем ……….. 85 4.1. Электрокинетические явления………………………………….85 4.2. Механизм образования двойного электрического слоя

на границе твердая фаза – раствор…….………………………...88 4.3. Строение двойного электрического слоя ………………………91

4.4. Факторы, влияющие на ДЭС и величину -потенциала ……..93

4.5. Строение коллоидных мицелл ………………………………… 95

Глава 5. Устойчивость и коагуляция дисперсных систем …… 98

5.1. Основные понятия и определения …………………………….. 98

5.2. Факторы агрегативной устойчивости …………………………100

5.3. Теория устойчивости гидрофобных систем. Теория ДЛФО…102

5.4. Коагуляция дисперсных систем ……………………………… 106

5.5. Теория коагуляции электролитами ……………………………108

5.6. Кинетика коагуляции …………………………………………. 109

Глава 6. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем……………………………………….116

6.1. Диффузия ………………………………………………………. 117

6.2. Броуновское движение ………………………………………... 119

6.3. Осмос …………………………………………………………... 122

6.4. Седиментация. Седиментационный анализ …………………. 123

6.5. Диффузионно-седиментационное равновесие ………………. 126

Глава 7. Оптические свойства дисперсных систем ………….. 129

7.1. Рассеяние света ………………………………………………... 129

7.2. Поглощение света и окраска золей …………………………... 131

Глава 8. Структурно-механические свойства дисперсных систем……………………………………...133

8.1. Основные понятия. Метод реологии ………………………… 133

8.2. Классификация дисперсных систем по структурно-механическимсвойствам …………………………136

8.4. Реологические свойства дисперсных систем.

Вязкость истинных и коллоидных растворов…………………138

8.5. Реологические свойства структурированных

жидкообразных систем ……………………………………. 144

Глава 9. Получение и очистка дисперсных систем …………... 146

9.1. Получение дисперсных систем ………………………………. 146

9.2. Очистка дисперсных систем …………………………………. 148 Список рекомендуемой литературы ……………………………… 150

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебное пособие является кратким изложение курса šПоверхностные явления и дисперсные системыŸ. Поверхностные явления и дисперсные системы (коллоидная химия) является крупной областью химической науки, изучающей дисперсное состояние вещества и поверхностные явления в дисперсных системах. Учебное пособие полностью соответствует рабочей программе дисциплины. Пособие содержит девять глав. Первая половина курса посвящена поверхностным явлениям; вторая – свойствам дисперсных систем. Такая последовательность изложения материала обусловлена тем, что поверхностные явления определяют большинство специфических свойств дисперсных систем.

В пособии изложены основы поверхностных явлений применительно к дисперсным системам (адгезии, смачивания, адсорбции, электрических явлений на поверхности и др.), основные свойства дисперсных систем (электрические, структурно-механические, оптические, молекулярно-кинетические), рассмотрена устойчивость и коагуляция, получение и очистка дисперсных систем.

Важнейшие фундаментальные закономерности представлены в виде количественных соотношений, приведены выводы и анализы основных уравнений, что позволяет глубже раскрыть физический смысл явлений и определить границы применимости получаемых соотношений. В пособии приведены также необходимые для понимания рисунки.

От классических учебников по данной дисциплине предлагаемое пособие отличается тем, что материал изложен в сжатом концентрированном виде, но на достаточно высоком теоретическом уровне. Данное учебное пособие будет хорошим дополнением к лекционному курсу и поможет студентам хорошо усвоить материал дисциплины.

Имея в качестве объектов исследования в основном реальные вещества и материалы, данная дисциплина завершает общехимическое образование. В то же время она является пограничной областью знания, которая объединяет физическую химию, физику поверхностных явлений и дисперсных систем и рассматривает многие специфические проявления природы.

ВВЕДЕНИЕ

Науку šПоверхностные явления и дисперсные системыŸ ранее называли šКоллоидная химияŸ, название произошло от греческого слова колла – клей. Английский химик Томас Грэм назвал коллоидами вещества, которые образуют растворы с особыми свойствами. Но в настоящее время согласно определению Пескова Н.П. принято, чтоколлоиды – это особое, сильно разбавленное состояние вещества, в котором отдельные частицы представляют собой агрегаты (мицеллы), состоящие из большого числа атомов, молекул, ионов. Поэтому следует говорить о коллоидном состоянии как о всеобщем особом состоянии материи, которое имеет высокую степень раздробленности (дисперсности). Главная черта этого особого состояния – ведущая роль поверхностных явлений, связанных с большой межфазной поверхностью, определяемой величиной дисперсности.

К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз. Поверхностные явления обусловлены тем, что на межфазных границах соприкасающиеся фазы имеют разное строение и различие в связях поверхностных атомов и молекул. Это приводит к появлению ненасыщенного поля межатомных и межмолекулярных сил. По этой причине атомы и молекулы в поверхностных слоях образуют особую структуру, а вещество принимает особое состояние, отличающееся по свойствам от его состояния в объемах фаз.

В данной науке предметом для изучения являются дисперсные системы. Дисперсными системами илидисперсиями называют гетерогенные системы, в которых, по крайней мере, одна из фаз находится в дисперсном состоянии. Дисперсными системами является большинство окружающих нас реальных тел: пасты, эмульсии, суспензии, пены. Они могут представлять собой туманы, почвы, строительные материалы, продукты питания, лекарства и т.д. Дисперсность (раздробленность) – определяется размерами и геометрией частиц. Частицы вещества могут иметь различную форму: сферическую, прямоугольную, цилиндрическую, а чаще – неправильную.

Задача данной дисциплины – изучение физико-химических свойств дисперсных, гетерогенных, многокомпонентных систем, которое основано на поверхностных явлениях, протекающих на границе раздела фаз.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

1.1 Основные понятия и определения

Курс šПоверхностные явления и дисперсные системыŸ начинается с учения о поверхностных явлениях, таких как адсорбция, поверхностное натяжение, адгезия, смачивание. Затем рассматриваются свойства дисперсных систем: оптические, электрические, структурно – механические, кинетические, агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем.

Поверхностные явления – совокупность явлений, связанных с физическими особенностями границ раздела, т.е. поверхностных слоев между соприкасающимися фазами. Поверхностные явления обусловлены наличием у молекул, образующих поверхностный слой, избыткаэнергии Гиббса (свободной поверхностной энергии

G s ), особенностями структуры поверхностного слоя и его составом.

Свободная поверхностная энергия определяется уравнением

где – поверхностное натяжение; s – общая площадь поверхности раздела фаз. Поверхностное натяжение равно работе, затраченной на образование единицы поверхности.

Объектами изучения коллоидной химии являются системы, имеющие два общих признака:

1. гетерогенность (многофазность,™ 2), выступает как признак, указывающий на наличие межфазной поверхности.

2. дисперсность (раздробленность) определяется размерами тела (лат.dispergo – рассеивать, распылять).Мерой дисперсности может служить размер тела по той оси, уменьшением которой дисперсность достигнута, т.е. наименьшим размерома . Величинаа для сферических частиц – диаметромd , для частиц, имеющих форму куба – ребром кубаl . Мерой дисперсности также может быть об-

ратная величина D 1 , называемая простодисперсностью , либоa

удельная поверхность S уд . Удельной поверхностью называют пло-

щадь поверхности раздела фаз, приходящуюся на единицу массы или объема дисперсной фазы

где s 1,2 – площадь поверхности раздела фаз 1 и 2;m - масса тела;V

Объем тела.

В монодисперсных системах, у которых размер частиц и их форма одинаковы, площадь межфазной поверхности равна произведению площади поверхности одной частицы s на число частиц в

системе n :s 1,2 sn , а суммарный объем дисперсных частиц равен

произведению объема одной частицы на число частиц в системе: V n . Подставляем эти выражения в уравнение (1.2), и после сокращения получаем уравнение для расчета удельной поверхности

где k – коэффициент, характеризующий форму частиц;a – линейный размер частиц.

Подставляем в уравнение (1.3) площадь и объем сферической частицы, получаем

Для приведенных частиц коэффициент k в уравнении (1.4) равен 6, для частиц в виде бруска он равен 4, для пленок – 2. Отсюда следует, что при дроблении 1 см3 или 1 грамма вещества на частицы нанометрового диапазона величина удельной поверхности может достигать тысяч квадратных метров.

Дисперсные системы состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой , другая фаза раздроблена и распределена в первой; ее называютдисперсной фазой . Необходимым условием образования дисперсной системы является ограниченная растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде.

1.2 Классификация поверхностных явлений

Поверхностные явления удобно классифицировать в соответствии с объединенным уравнением первого и второго законов термодинамики, в которое входят основные виды энергии. Для гетерогенной системы уравнение имеет вид

где G - энергия Гиббса;S - энтропия;T - температура;V - объем;p - давление; - поверхностное натяжение;s - площадь поверхности;i - химический потенциал i-го компонента; n i – число молей этого компонента; - электрический потенциал;q - количество электричества.

Превращение поверхностной энергии ds в другие виды энергий отвечает определенным поверхностным явлениям. Превращение поверхностной энергии в энергию ГиббсаdG соответствует изменению реакционной способности с изменением дисперсности, в теплотуSdT соответствует адгезии и смачиванию, в химическую энергиюi dn i – адсорбции, в механическую энергиюVdp – капиллярности, в электрическую энергиюdq – электрическим явлениям.

Поверхностные явления

Пове́рхностные явле́ния - совокупность явлений, обусловленных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкосновения фаз . К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряжённых фаз.

Поверхностные явления обусловлены тем, что в поверхностных слоях на межфазных границах вследствие различного состава и строения соприкасающихся фаз и соответственно из-за различия в связях поверхностных атомов и молекул со стороны разных фаз существует ненасыщенное поле межатомных, межмолекулярных сил. Вследствие этого атомы и молекулы в поверхностных слоях образуют особую структуру, а вещество принимает особое состояние, отличающееся от его состояния в объеме фаз различными свойствами. Поверхностные явления изучаются коллоидной химией .

Классификация поверхностных явлений

Поверхностные явления принято классифицировать в соответствии с объединенным уравнением первого и второго начал термодинамики, в которое входят основные виды энергии . Для любой гетерогенной системы его можно записать в следующем виде:

Это уравнение показывает приращение энергии Гиббса через алгебраическую сумму приращений других видов энергии. Очевидно, что поверхностная энергия способна переходить в следующие виды энергии:

• Энергия Гиббса
• Химическая энергия
• Механическая энергия
• Электрическая энергия

Превращение поверхностной энергии в один из перечисленных видов энергии соответствует определенным поверхностным явления, таким как изменение реакционной способности при изменении дисперсности , адгезия и смачивание , капиллярность , адсорбция , электрические явления.

Значение поверхностных явлений

Поверхностные явления широко распространены в химической технологии . Практически любое химическое производство осуществляется с применением дисперсных систем и поверхностных явлений. Как правило, все гетерогенные процессы в химической технологии проводят при максимальной поверхности контакта фаз. Для этого системы вещества переводят в состояние суспензий, порошков, эмульсий, туманов, пылей. Процессы измельчения сырья и промежуточных продуктов, обогащение протекают в дисперсных системах, значительную роль в них играют такие явления как смачивание, капиллярность, адсорбция , седиментация , коагуляция . Широко распространены в химической технологии пористые адсорбенты и катализаторы, представляющие собой дисперсную систему с твердой дисперсионной средой.

Закономерности протекания поверхностных явлений, в частности структурообразования, служат теоретической основой получения материалов с заданными свойствами: керамики, цементов, ситаллов, сорбентов, катализаторов, полимеров, порохов, лекарственных средств и т. п.

Литература

Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. - ООО ТИД "Альянс", 2004. - 464 с. - ISBN 5-98535-003-7

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Поверхностные явления" в других словарях:

Явления, вызываемые избытком свободной энергии в пограничном слое поверхностной энергии, повышенной активностью и ориентацией молекул поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава. П. я. определяются также тем, что хим. и физ. вз… … Физическая энциклопедия

Современная энциклопедия

Поверхностные явления - ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, обусловлены особыми физическими и химическими свойствами тонких слоев вещества на границе тел (сред, фаз). Важнейшее поверхностное явление адсорбция. Определяют прочность и долговечность материалов. С поверхностным явлением … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Группа явлений, обусловленных тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело, не скомпенсированы на его поверхности. К числу поверхностных явлений относятся поверхностное натяжение, капиллярные явления, поверхностная активность … Большой Энциклопедический словарь

поверхностные явления - – физико химические явления, обусловленные неравномерным распределением молекул растворителя и растворенного вещества вблизи поверхности раздела фаз. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин … Химические термины

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ - явления, происходящие в поверхностном слое, на границах раздела между средами и вызываемые повышенной активностью и ориентацией молекул поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава, а также хим. и физ. взаимодействиями в… … Большая политехническая энциклопедия

Физ. хим. явления, к рые обусловлены особыми (по сравнению с объемными) св вами поверхностных слоев жидкостей и твердых тел. Наиб. общее и важное св во этих слоев избыточная своб. энергия F = sS, где s поверхностное (межфазное) натяжение, для… … Химическая энциклопедия

Выражение особых свойств поверхностных слоев, т. е. тонких слоев вещества на границе соприкосновения тел (сред, фаз). Эти свойства обусловлены избытком свободной энергии (См. Свободная энергия) поверхностного слоя, особенностями его… … Большая советская энциклопедия

Группа явлений, обусловленных тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело, не скомпенсированы на его поверхности. К числу поверхностных явлений относят поверхностное натяжение, капиллярные явления, поверхностную активность,… … Энциклопедический словарь

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ - совокупность явлений, связанных с особыми свойствами поверхностных слоев на границе между соприкасающимися телами. Поверхностные явления обусловлены наличием поверхностной энергии. К поверхностным явлениям относятся поверхностное натяжение,… … Металлургический словарь

Книги

• Физическая химия. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебное пособие , А. Г. Морачевский. Физическая химия. Поверхностные явления и дисперсные системы: Уч. пособие, 2-е изд., стер. ISBN:978-5-81141-857-2…

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Явления, вызываемые избытком свободной энергии в пограничном слое - поверхностной энергии, повышенной активностью и ориентацией молекул поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава. П. я. определяются также тем, что хим. и физ. вз-ствия тел происходят прежде всего в поверхностных слоях. Осн. П. я. связаны с уменьшением поверхностной энергии, пропорциональной площади поверхности. Так, образование равновесных форм жидких капель или газовых пузырей, а также кристаллов при их росте определяется минимумом свободной энергии при пост. объёме. П. я., возникающие при совместном действии молекулярных сил (поверхностного натяжения и смачивания) и внеш. сил (силы тяжести) и вызывающие искривление жидких поверхностей раздела, наз. капиллярными явлениями.

П. я. в тв. телах имеют место прежде всего на внеш. поверхности тела. К ним относятся: сцепление (когезия), (адгезия), трение. Из условий минимума свободной поверхностной энергии кристалла, на разл. гранях к-рого натяжения различны, выводятся математически все возможные формы кристаллич. многогранников, изучаемые в геом. кристаллографии.

П. я. имеют место и на внутр. поверхностях, развивающихся на основе дефектов кристаллич. решётки. Любое разрушение тв. тела, связанное с преодолением его прочности, по существу представляет собой П. я., т. к. выражается в образовании новой поверхности раздела. Образование и развитие зародышей новой фазы в первоначально однородной среде, находящейся в метастабильном состоянии, также определяется П. я. (с этим связано повышение растворимости малых капель и кристалликов и повышение над ними давления насыщенного пара; (см. КЕЛЬВИНА УРАВНЕНИЕ)).

Значит. группу П. я. составляют адсорбционные явления, при к-рых изменяется хим. состав поверхностного слоя (см. АДСОРБЦИЯ). К этой группе явлений примыкают разл. случаи активированной и хим. адсорбции, переходящей в поверхностные хим. реакции с образованием поверхностного слоя хим. соединения. Сюда относятся разл. топохим. (напр., образование металлич. зеркал на поверхностях при восстановлении металла из раствора его солей, образование накипи на поверхностях нагрева и т. д.). Образование хемосорбционных мономолекулярных слоев-покрытий служит эффективным методом изменения мономолекулярно-поверхностных св-в тела и характера его вз-ствия с окружающей средой. Адсорбционные слои могут резко повышать устойчивость эмульсий, пен, суспензий, что связано в пределе со структурно-механич. св-вами этих слоев (высокая , упругость и прочность).

Особенности теплового движения в поверхностных слоях приводят к мол. рассеянию света поверхностями. К др. группе явлений относятся: термоэлектронная эмиссия , возникновение скачков потенциала и образование двойного электрического слоя на поверхности раздела фаз. Эти П. я. связаны с адсорбцией ионов и дипольных молекул. П. я. влияют на термодинамич. равновесие фаз только в случае весьма развитой поверхности их раздела в коллоидных системах. Скорости же процессов теплообмена и массообмена - растворение, конденсация, гетерогенные хим. процессы (напр., коррозия) - определяются величиной и св-вами поверхности раздела и поэтому резко зависят от мол. природы и строения этой поверхности. Адсорбционные слои могут вызвать существ. изменение, замедление процессов межфазового обмена. Так, монослои нек-рых поверхностно-активных в-в, напр. цетилового спирта, на поверхности воды могут значительно замедлить её испарение. Таково же замедление процессов коррозии под действием поверхностных слоев ингибиторов или защитных плёнок окислов и др. хим. соединений на поверхности металла.

П. я. определяют особенности граничных условий при движении поверхностей раздела ( капель, пузырей и жидких струй, распадающихся на капли, капиллярные ). Адсорбционные слон вызывают гашение капиллярных волн вследствие возникновения местных разностей поверхностного натяжения, т. е. изменения граничных гидродинамич. условий.

П. я. определяют долговечность материалов и конструкций в данной среде. Не только растворение и коррозия, но даже и обратимая вызывают облегчение деформаций и разрушения тв. тел, понижая работу образования новых поверхностей. Малые примеси адсорбирующихся в-в, образующие мономол. слои на поверхностях раздела, позволяют управлять мн. св-вами материалов. Изучение мономолекулярных поверхностных слоев приводит к новым методам исследования молекул и установления их размеров. П. я. определяют процессы выветривания горных пород и почвообразования, испарения и конденсации влаги, а также мн. процессы в живых организмах. На использовании П. я. основаны многие технологич. процессы (смазка, смачивание , флотация и т. д.).

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

- явления, адсорбцией, возникновениемповерхностной энергии, поверхностного натяжения, поверхностного электрич. Поверхностные слои неоднородны в масштабемолекулярных размеров и анизотропны независимо от агрегатного состоянияфаз, отличаются от объёмных фаз физ. свойствами (плотностью, вязкостью, кристаллы и полости микроскопич. При наличии на поверхности двумерных фазовыхпереходов, а также при пересечении поверхностей образуются межфазные линии- одномерные аналоги межфазных поверхностей, с существованием к-рых связанылинейные явления. Неоднородная линейная область является одномерным аналогомповерхностного слоя и обладает линейным натяжением, линейной свободнойэнергией и т. д. Уд. линейные термо-динамич. потенциалы отличаются от поверхностныхлишь тем, что относятся к единице длины (измеряются в Дж/м). Линейные явлениясущественны лишь для очень малых объектов (зародышей двумерных фаз, смачивающихмпирокапель и т. п.).
Закономерности П. я. описываются закономЛапласа и ур-нием Юнга (см. Смачивание), а также обобщённым ур-ниемадсорбции Гиббса:

где - работа образования единицы поверхности путём разрезания (см. Поверхностноенатяжение),- уд. энтропия (см. Поверхностная энергия),- тензор поверхностных натяжений,- единичный тензор,- тензор деформации (символ ":" означает скалярное произведениетензоров),- химические потенциалы молекул (или электрохим. потенциалы ионов),Г i - их адсорбции, суммирование производится по всемкомпонентам, для к-рых возможно равновесие между объёмной фазой и поверхностнымслоем. Для жидких поверхностей - поверхностное натяжение, а деформац. член отсутствует. Ур-ние адсорбцииГиббса устанавливает связь между важнейшими П. я. - адсорбцией и поверхностнойактивностью (см. Поверхностно-активные вещества).
Существенное влияние оказывают П. я. насвойства макросистем. Это связано с увеличением поверхности в таких системах, капиллярные явления. В гетерогенной системе только с искривлённымиповерхностями уже не действует Гиббса правило фаз в его классич. расклинивающегодавления тонких плёнок, к-рое (при положит, его знаке) способствуетустойчивости дисперсных систем ( определяется какразность внеш. давления на плёнку и давления в объёмной фазе, составленнойиз компонентов плёнки при тех же, что и в плёнке, значениях темп-ры и хим. Важную группу П. я. составляют электроповерхностныеявления: поверхностная , поверхностный электрич. , эмиссия и др. Все они связаны с образованием на межфазной границе двойного электрического слоя в результате эмиссии или специфич. К П. я. относятся когезия, адгезия, смачивание, смазочное и моющее , трение, пропитка пористыхтел. П. я. влияют на (напр. адсорбционное понижениепрочности - эффект Ребиндера). П. я. играют важную роль в фазовых процессах. скорость тепло-и массообмена междуними. Проницаемость поверхностных слоев и плёнок, связанная с их молекулярнымстроением, обусловливает мембранные явления, особенно важные в биол. системах. Лит.: Русанов А. И., Фазовые равновесияи поверхностные явления, Л., 1967; Адамеон А., Физическая химия поверхностей, А. И. Русанов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ" в других словарях:

Современная энциклопедия

Поверхностные явления - ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, обусловлены особыми физическими и химическими свойствами тонких слоев вещества на границе тел (сред, фаз). Важнейшее поверхностное явление адсорбция. Определяют прочность и долговечность материалов. С поверхностным явлением … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Группа явлений, обусловленных тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело, не скомпенсированы на его поверхности. К числу поверхностных явлений относятся поверхностное натяжение, капиллярные явления, поверхностная активность … Большой Энциклопедический словарь

поверхностные явления - – физико химические явления, обусловленные неравномерным распределением молекул растворителя и растворенного вещества вблизи поверхности раздела фаз. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин … Химические термины

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ - явления, происходящие в поверхностном слое, на границах раздела между средами и вызываемые повышенной активностью и ориентацией молекул поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава, а также хим. и физ. взаимодействиями в… … Большая политехническая энциклопедия

Физ. хим. явления, к рые обусловлены особыми (по сравнению с объемными) св вами поверхностных слоев жидкостей и твердых тел. Наиб. общее и важное св во этих слоев избыточная своб. энергия F = sS, где s поверхностное (межфазное) натяжение, для… … Химическая энциклопедия

Поверхностные явления совокупность явлений, обусловленных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкосновения фаз. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном… … Википедия

Выражение особых свойств поверхностных слоев, т. е. тонких слоев вещества на границе соприкосновения тел (сред, фаз). Эти свойства обусловлены избытком свободной энергии (См. Свободная энергия) поверхностного слоя, особенностями его… … Большая советская энциклопедия

На границе раздела фаз в поверхностном слое существует избыток свободной энергии. Это связано с тем, что на границе раздела с газом, силы межмолекулярного взаимодействия с жидкой фазой больше, чем с газообразной; поэтому равнодействующая сил направлена нормально к поверхности в сторону жидкой фазы. В процессе увеличения площади поверхности (при постоянном объеме) молекулы выводятся из объемной фазы в поверхностный слой, совершая при этом работу против межмолекулярных сил. Эта работа в изотермических условиях равна увеличению свободной поверхностной энергии. Точно так же к увеличению свободной энергии приводит работа разрыва связей при дроблении твердых тел, сопровождающаяся увеличением поверхности раздела. Подобные выводы об увеличении свободной энергии с ростом площади поверхности могут быть обобщены для любой границы раздела фаз.

Количественно величина избыточной энергии на границе разделы фаз характеризуется величиной, которая называется поверхностное натяжение (σ).

Поверхностное натяжение - это удельная свободная поверхностная энергия, т. е. свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу межфазной поверхности

В поверхностном слое самопроизвольно протекают процессы, которые приводят к уменьшению поверхностной энергии. Их можно разделить на два типа.

1. Процессы, протекающие с уменьшением межфазной поверхности (dS1,2< 0) при неизменной величине поверхностного натяжения (σ = const, dσ = 0):

Стремление капель жидкости или пузырьков газа принять сферическую форму;

Слипание твердых частиц дисперсной фазы (коагуляция);

Слипание капель в эмульсиях или пузырьков газа в пенах (коалесценция);

Рост кристаллов.

2. Процессы, протекающие с уменьшением поверхностного натяжения (dσ < 0) при неизменной величине межфазной поверхности (S1,2= const, dS1,2= 0):

Адсорбция - изменение концентрации растворенного вещества в поверхностном слое;

Адгезия - это слипание двух разнородных твердых тел или жидких поверхностей за счет межмолекулярных сил;

Смачивание - это разновидность адгезии, относящаяся к взаимодействию типа жидкость – твёрдая поверхность.

СТРОЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ|

По современной теории всякий золь состоит из двух частей: мицелл и интермицеллярной жидкости. Под интермицеллярной жидкостью понимают дисперсионную среду, содержащую растворенные электролиты и не электролиты.

Мицеллы - электрически нейтральные структурные единицы, находящиеся в растворе и участвующие в броуновском движении. В центре мицеллы находится основа. Она представляет собой скопление большого количества молекул или атомов вещества дисперсной фазы.

На поверхности основы из дисперсионной среды необменно адсорбируются ионы того или иного знака. Совокупность основы с адсорбированными на поверхности ионами называется ядром. Обычно адсорбируются ионы, в составе которых находятся элементы или атомные группировки, имеющиеся в веществе ядра частицы (правило Пескова-Фаянса). Например, при образовании золя бромистого серебра из раствора, содержащего небольшой избыток КВг частицы AgBr, адсорбируя преимущественно ионы Вг - , заряжаются отрицательно. При получении того же золя AgBr, но при условии избытка AgN0 3 в растворе, частицы AgBr заряжаются положительно вследствие адсорбции ионов Ag + Ионы, адсорбирующиеся на поверхности основы и обусловливающие величину и знак электрического заряда частицы, называются потенциалопределяющими ионами.

Ионы противоположного знака (противоионы) частично адсорбируются на поверхности ядра, образуя неподвижный (адсорбционный) слой ионов, а частично располагаются в жидкости вблизи гранулы, создавая так называемый диффузный или подвижный слой ионов.

Совокупность ядра с неподвижным (адсорбционным) слоем противоионов называется коллоидной частицей, или гранулой

Совокупность частицы с диффузным облаком противоионов называется мицеллой

Формулы мицелл золя AgBr можно записать так:

а) при избытке в растворе КВг

б) при избытке в растворе AgNO 3

По современным представлениям основная причина устойчивости золей обусловлена наличием сольватных (гидратных) оболочек у ионов диффузного слоя. Обладая упругими свойствами, эти оболочки препятствуют слипанию частиц. Чем толще диффузный слой, тем плотнее сольватная (гидратная) оболочка вокруг одноименно заряженных частиц; тем выше ζ-потенциал частиц и стабильнее данный золь. В настоящее время для получения коллоидных растворов используют два принципиально различных метода - дисперсионный, основанный на раздроблении грубодисперсного вещества до размеров.коллоидных частиц, и конденсационный, в основе которого лежит конденсация (укрупнение) частиц за счет слипания атомов или молекул вещества. При получении золей как первым, так и вторым способами вещество дисперсной фазы должно быть практически не растворимым в дисперсионной среде.

Все темы данного раздела:

ПЕНЗА ИИЦ ПГУ 2004
УДК 54 Х46 Рецензент: кандидат технических наук, профессор кафедры «Химическое машиностроение и электрохимическое производство»

Nbsp; ЛЕКЦИЯ 1. Теория строения атома
Общие сведения о структуре атома. Атом – сложная микросистема, состоящая из множества микрочастиц, подчиняющихся законам микромира. С точки зрения химии, атом – на

Основные положения квантовой механики.
В 1900 г Макс Планк предположил, что поглощение либо испускание энергии может осуществляться строго определенными дискретными порциями – квантами: Е = hν, гд

Квантовые числа.
1. Главное квантовое число n (n = от 1 до ¥) определяет энергию электрона (ē) на уровне в атоме, Е = –A/n2 и радиус наибольшей вероятности его нахождения r

Правила заполнения электронами уровней и подуровней.
Принцип Паули: «в атоме не может быть двух электронов в одинаковых квантовых состояниях». Из этого вытекает, что на s подуровне может располагаться только два электрона,

СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. Менделеева
Свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов(современная формулировка периодического зак

Относительная электроотрицательность элементов I–IV периодов
(по Полингу) I II III IV V VI VII VIII

Межмолекулярное взаимодействие
Лишь немногие элементы (благородные газы) находятся в обычных условиях в состоянии одноатомного газа. Атомы остальных – входят в состав молекул или кристаллических решеток. Причина

Nbsp; Лекция 4. Элементы химической термодинамики
Основные понятия и величины.Химическая термодинамика – наука, изучающая переходы энергии из одной формы в другую при химических реакциях и устанавливающая направление и

Nbsp; Лекция 5. Химическое равновесие
Обратимые реакции не доходят до конца и заканчиваются установлением химического равновесия. Состояние равновесия наиболее устойчиво, и всякое отклонение от него требует

Nbsp; Лекция 6. Основы химической кинетики
Раздел химии, в котором изучаются скорости и механизмы химических реакций, называется химической кинетикой. Рассмотрим основные понятия химической кинетики. Система

Лекция 7. Растворы
Раствором называется гомогенная система (твердая, жидкая или газообразная), состоящая из двух или более компонентов. То вещество, которого больше, называют растворителем.

Лекция 8. Растворы электролитов
По способности проводить электрический ток в водном растворе или в расплаве вещества делятся на электролиты и неэлектролиты. Электролитами называются вещества, раст

Nbsp; Лекция 9. Химические реакции. Окислительно-восстановительные реакции
Химическая реакция – взаимодействие реальных частиц (молекул, ионов, атомов), которое приводит к изменению их физико-химических свойств без изменения природы химических элемен

Электродный потенциал
Возникновение электродного потенциала металла.Электроны в металле занимают энергетические уровни, образующие зоны. Эти зоны расположены ниже уровня энергии свободного электрона. Ес

Электрохимия –естественнонаучная дисциплина, котораяизучает физико-химические свойства ионных растворов и расплавов, а также явления, которые протекают на границе раздела фаз с уча

Nbsp; Лекция 12. Электролиз
Электролизом называются процессы окисления и восстановления веществ, происходящие на поверхности электродов под действием электрического тока. При электролизе происходит превр

Nbsp; Лекция 13. Коррозия металлов
Коррозия (разъедание, разрушение) – это самопроизвольный процесс разрушения металлического изделия в результате его взаимодействия с веществами окружающей среды

Nbsp; Лекция 15. Общие химические свойства металлов
С химической точки зрения металл – это элемент, который во всех соединениях проявляет положительную степень окисления.Из известных в настоящее время 109 элементов 86 являются

Лекция 17. ДИСПЕРСНЫе СИСТЕМы
Коллоидное состояние характеризуется определенной дисперсностью (раздробленностью) вещества. Вещество в этом состоянии диспергировано до очень малых частиц или пронизано тончайшими

Дополнительная
5. Электрохимия: учеб. пособие / Э. Г. Яковлева, Т. К. Семченко [и др.]. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. 6. Общие химические и физические свойства металлов: учеб. пособие /

Процессы, протекающие на границе раздела фаз называются поверхност-ными явлениями. Причиной поверхностных явлений служит особое состоя-ние молекул в слоях, непосредственно приле-гающих к поверхности раздела фаз, т.к. эти слои отличаются от внутренних слоев своими физико-химичес-кими свойствами (удельной энергией, плотностью, вязкостью, электропро-водностью, составом). Причем, чем больше удельная энергия системы, тем сильнее отличаются свойства и сильнее влияние поверхностных явлений на поведение системы в целом.

Молекулярное давление . Энергетическое состояние молекул вещества в объеме фазы и в поверхностном слое не одинаково. Молекулы, находящиеся в объеме фазы, испытывают одинаковое притяжение (и отталкивание) со сто-роны окружающих её молекул и поэтому равнодействующая молекулярных сил равна нулю. Например, молекула жидкости в точке А. На молекулу (точ-ка Б), находящуюся на границе раздела фаз, со стороны разных (прилегаю-

больше чем сил притяжения газовой фазы. Если притяжением со стороны мо-лекул газа можно пренебречь, то сила притяжения поверхностных молекул жидкости, занимающей площадь 1 м 2 , молекулами глубинных слоев равна внутреннему (молекулярному) давлению жидкости, т.е. силе притяжения между молекулами жидкости в объеме. Величина внутреннего давления жид-кости очень велика и зависит от полярности жидкости. Чем полярнее ве-щества, и чем больше притяжение их молекул, тем больше внутреннее дав-ление. Например, для воды 14800 атм., а для бензола – 3800 атм.

Поверхностное натяжение. Свободная поверхностная энергия. Для уве-личения поверхности жидкости (т.е. переноса вещества из объема фазы в поверхностный слой) нужно преодолеть силу внутреннего давления и совер-шить работу. Эта работа тем больше, чем больше площадь создаваемой поверхности и чем выше поверхностное натяжение. Одностороннее натяже-ние поверхностного слоя молекул называется поверхностным натяжением (σ ). Оно является выражением сил сцепления между молекулами данного вещества в данном состоянии.

Энергия, затраченная на создание поверхности, пойдет на увеличение энергии молекул для вывода их из глубины фазы на поверхность. Избыток энергии поверхностных молекул по сравнению с энергией внутренних моле-кул, приходящийся на единицу площади поверхности называется свободной поверхностной энергией: F= σ . S (измеряется в Дж/м 2 или эрг/см 2). Как видно

из формулы, поверхностное натяжение численно равно работе образования единицы площади поверхности или удельной свободной энергии: . Это естьэнергетическое выражение поверхностного натяжения. Силовое оп-ределение поверхностного натяжения: это сила, действующая на поверхность по касательной к ней и стремящаяся сократить свободную поверхность тела до наименьших пределов. В этом случае оно измеряется в Н/м.

Согласно II закону термодинамики свободная поверхностная энергия сис-темы самопроизвольно стремится к минимуму. Значит, свободная поверх-ностная энергия может снижаться за счет уменьшения площади поверхности или за счет снижения поверхностного натяжения. Уменьшение площади поверхности под действием сил молекулярного давления возможно только для жидкостей, т.к. силы сцепления её молекул не слишком велики. Поэтому мелкие капли сливаются в более крупные и капли жидкости в аэрозолях, туманах, эмульсиях имеют сферическую форму.

Снижение свободной поверхностной энергии за счет уменьшения поверх-ностного натяжения присуще как жидкости, так и твердому телу. Поверх-ностное натяжение может снижаться за счет накопления на поверхности мо-лекул другого вещества, в частности, ПАВ. Эти молекулы своим притяже-нием частично компенсируют втяжение поверхностных молекул данной фазы в глубь объема и система приобретает большую устойчивость.

Свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение зависят от температуры, природы фаз, природы и концентрации растворенных веществ.

С повышением температуры поверхностное натяжение снижается, т.к. уменьшается взаимное притяжение молекул. В критической точке поверх-ностное натяжение достигает нуля, т.к. при этом исчезают различия и граница раздела фаз.

Повышение давления снижает поверхностное натяжение только в системе «газ-жидкость», т.к. при этом газ по физико-химическим свойствам сбли-жается к жидкости.

Следует также отметить, что можно измерить поверхностное натяжение только жидкостей. У твердых тел это невозможно, т.к. невозможно искусственно растягивать поверхность твердого тела из-за его разрушения. По-верхностное натяжение твердых тел определяют расчетным путем. Для изме-рения поверхностного натяжения жидкостей применяют статические (методы капиллярного поднятия, лежащей или висящей капли), полустатические ме-тоды (метод максимального давления пузырька газа, метод отрыва кольца, сталагмометрический метод (метод взвешивания или счета капель). Из них прост и достаточно точен сталагмометрический метод. Он основан на том, что в момент отрыва под действием силы тяжести от конца капилляра капли жидкости, её вес практически равен силе поверхностного натяжения, прило-женной к окружности капилляра.

Для разбавленных растворов, плотность которых мало отличается от плотности воды, поверхностное натяжение можно вычислить по уравнению (мДж/м 2): .

Адгезия и когезия. Поверхностные явления имеют важное значение в фармации, т.к. большинство лекарств − порошки, таблетки, эмульсии, сус-пензии, аэрозоли, мази и др. являются дисперсными системами. В производ-стве лекарств чаще всего приходится сталкиваться с такими явлениями, как адсорбция, смачивание, адгезия.

Притяжение, возникающее между двумя разнородными (твердыми или жидкими) телами при их соприкосновении называется адгезией (от лат adhaesio притяжение, сцепление»). Она характеризует силу сцепления разно-родных веществ и измеряется работой, затраченной на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы (измеряется в Дж/м 2). Эта работа рассчиты-вается по уравнению Дюпре-Юнга: W A = σ ж-г (1 + cosӨ). На явлениях адгезии основано действие клеев, связующих веществ, покрытий. Она влияет на рас-падаемость таблеток, прочность оболочек, растворение твердых лекарствен-ных форм, используется для характеристики материалов, применяемых в хирургии и стоматологии.

Сцепление однородных молекул, атомов, ионов, которое включает все ви-ды межмолекулярного, межатомного и межионного притяжения внутри од-ной фазы называют когезией (лат.«связь»). Она характеризует прочность ве-щества и измеряется работой, необходимой для разрыва вещества (преодоле-ния сил сцепления между молекулами) и создания двух новых единиц поверхностей. Величина сцепления численно равна удвоенному значению поверхностного натяжения: W ког. = 2σ.

Основные понятия адсорбционных процессов. Твердое тело или жид-кость, на поверхности которых происходит адсорбция, называется адсорбен-том, а адсорбирующееся вещество – адсорбатом или адсорбтивом. Процесс самопроизвольного накопления вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией (Г). Она выражается количеством вещества, адсорбированного единицей поверхности или массы (моль/м 2 , моль/г). Адсорбция, осуществ-ляющая под действием сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей, называется физической . Адсорбция, в основе которой лежит возникновение ковалентных связей между молекулами адсорбента и адсорбтива, называется химической или хемосорбцией. Физическая адсорбция представляет обратимый процесс и сопровождается десорбцией (освобождением поверхности от адсорбирован-ного вещества). Между адсорбцией и десорбцией устанавливается динами-ческое равновесие, положение которого зависит от температуры. Повышение температуры понижает физическую адсорбцию и усиливает химическую адсорбцию. Десорбция осуществляется разрушением адсорбента, изменением температуры и снижением сил адсорбционного взаимодействия. Последняя широко используется в виде элюции. Элюция – это смена граничащей с ад-сорбентом фазы, например раствора, в целях десорбции вещества. При элю-ции адсорбированное вещество вытесняется с адсорбента молекулами нового растворителя или в результате понижения адсорбционного сродства веществами, растворенными в новом растворе (чаще всего путем изменения заряда молекул адсорбента и адсорбтива вследствие изменения рН или ионной силы раствора).

Характерным признаком адсорбции является её избирательность (специ-фичность). Это означает, что каждый адсорбент адсорбирует одно или нес-колько определенных веществ. Избирательность адсорбции предполагает случайное совпадение в распределении электронной плотности молекул адсорбента и адсорбтива по типу «ключ – замок», т.е. химическое сродство между адсорбентом и адсорбтивом.