Тема 2. Поверхностное натяжение

Контрольный вопрос. Как зависит поверхностное натяжение от природы соприкасающихся фаз?

1) Не зависит.

2) Чем больше разность полярностей фаз, образующих межфазную поверхность, тем выше поверхностное натяжение.

__________________________________________________________________

1) Не зависит. – Ответ неправильный.

Поверхностное натяжение является следствием существования внутреннего давления и некомпенсированности молекулярных сил поверхностных молекул. Внутреннее давление рассматривается как сила, втягивающая поверхностные молекулы в объем фазы и направленная перпендикулярно поверхности, поэтому поверхность раздела всегда стремится сократиться. Наличие в поверхностном слое молекул с некомпенсированными силами приводит к созданию избыточной поверхностной энергии, которая также стремится уменьшиться. Внутреннее давление и некомпенсированное поле молекулярных сил обусловлены различным энергетическим состоянием поверхностных и объемных молекул, т. е. действием молекулярных сил. Следовательно, поверхностное натяжение зависит от сил межмолекулярного взаимодействия как внутри каждой из соприкасающихся фаз, так и на межфазной поверхности.

2) Чем больше разность полярностей фаз, образующих межфазную поверхность, тем выше поверхностное натяжение. – Ответ правильный.

Поверхностное натяжение, например, на границе жидкости с газовой фазой можно рассматривать как работу образования единицы поверхности, т. е. работу переноса молекул из объема жидкой фазы на поверхность. Таким образом, поверхностное натяжение связано с работой, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей, и, значит, оно ими и обусловлено. Чем сильнее межмолекулярные связи в жидкой фазе, тем больше внутреннее давление и запас поверхностной энергии, тем выше поверхностное натяжение. Отсюда следует, что поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей, имеющих слабые межмолекулярные связи, и больше у полярных жидкостей. Если поверхность раздела сформирована двумя конденсированными фазами, например, двумя несмешивающимися жидкостями, то межфазное поверхностное натяжение будет зависеть от разности полярностей сопряженных фаз: чем больше различие в полярностях, тем выше межфазное поверхностное натяжение.

Тема 3. Адсорбция. Основные понятия

Контрольный вопрос. Чем объясняется самопроизвольный характер процесса адсорбции?

1) Стремлением системы сократить межфазную поверхность.

2) Стремлением системы уменьшить поверхностное натяжение.

__________________________________________________________________

1) Стремлением системы сократить межфазную поверхность. – Ответ неправильный.

Гетерогенная система с высокоразвитой поверхностью обладает избытком поверхностной энергии, которая стремится уменьшиться. Поверхностная энергия может уменьшиться в результате сокращения площади поверхности. Этот процесс сопровождается агрегированием частиц и в дальнейшем коагуляцией. Адсорбция это самопроизвольный процесс перераспределения компонентов гетерогенной системы между объемной фазой и поверхностным слоем. В результате этого процесса (в случае положительной адсорбции) на поверхности адсорбента происходит накопление адсорбата. Присутствие молекул адсорбата в поверхностном слое ведет к изменению его состава, в то время как площадь поверхности раздела не изменяется.

2) Стремлением системы уменьшить поверхностное натяжение. – Ответ правильный.

Адсорбцию рассматривают как взаимодействие молекул адсорбата с активными центрами поверхности адсорбента, сопровождающееся компенсированием поля молекулярных сил поверхностных молекул. Следовательно, адсорбция, т. е. накопление адсорбата в поверхностном слое, является результатом самопроизвольного сокращения поверхностной энергии системы за счет уменьшения поверхностного натяжения.

Контрольный вопрос. При повышении температуры величина физической адсорбции уменьшается. С чем это связано?

1) При повышении температуры уменьшается скорость адсорбции.

2) При повышении температуры увеличиваются скорости и прямого и обратного процессов, однако десорбция протекает более интенсивно.

__________________________________________________________________

1) При повышении температуры уменьшается скорость адсорбции – Ответ неправильный.

При повышении температуры увеличивается интенсивность теплового движения молекул адсорбата, следовательно, увеличивается их количество на поверхности адсорбента, т. е. скорость адсорбции увеличивается.

2) При повышении температуры увеличиваются скорости и прямого и обратного процессов, однако десорбция протекает более интенсивно. – Ответ правильный.

При повышении температуры увеличивается скорость адсорбции и величина адсорбции при этом возрастает. Однако наряду с увеличением кинетической энергии молекул адсорбированного вещества, при повышении температуры ослабляются межмолекулярные связи между адсорбатом и адсорбентом, и процесс десорбции протекает более интенсивно, причем скорость десорбции при этом больше, чем скорость адсорбции, что

что суммарно выражается в уменьшении величины адсорбции при повышении температуры (рис. 1).

Рис. 1. Изотермы адсорбции 1, 2 и 3 при температуре Т₁, Т₂ и Т₃ соответственно; Т₁< Т₂ < Т₃.

Следует отметить, что при повышении температуры не изменяется предел адсорбции, т. е. количество адсорбата, приходящееся на единицу поверхности при насыщении межфазного слоя. Предел адсорбции практически не зависит от температуры и должен определяться только размерами молекул адсорбата. Следовательно, изотермы, отвечающие разным температурам с повышением равновесного давления адсорбата, должны сливаться в одну. В реальных условиях это не наблюдается, так как при высокой температуре предел адсорбции соответствует очень высокому давлению адсорбата.