Даниловская Л. П. / Лекция 5. Поверхностные явления

ЛЕКЦИЯ 5 КХ21

Тема лекции 5: «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ»

Поверхностные явления ─ это явления, протекающие на поверхности раздела фаз в дисперсных системах. К ним относятся: поверхностное натяжение, смачивание, адсорбция и др. На поверхностных явлениях основаны важнейшие технологические процессы: очистка воздуха и сточных вод от вредных примесей, обогащение руд полезных ископаемых (флотация), сварка металлов, чистка, смазка, окрашивание различных поверхностей и многие другие.

Поверхностное натяжение

Любая поверхность раздела фаз имеет особые свойства, отличающиеся от свойств внутренних частей граничащих фаз. Это обусловлено тем, что поверхностные слои обладают избытком свободной энергии. Рассмотрим систему, состоящую из жидкости и газа (рис.1).

На молекулу А, находящуюся внутри жидкости, действуют силы взаимного притяжения со стороны всех окружающих ее соседних молекул. Равнодействующая этих сил равна нулю. Для молекулы В, находящейся на поверхности жидкости, будут скомпенсированы не все силы молекулярного притяжения. Это вызвано тем, что в газе молекулы удалены друг от друга на большие расстояния, силы притяжения между ними ничтожны. Следовательно, молекулы В испытывают притяжение только со стороны жидкости. Для них равнодействующая сил молекулярного притяжения не равна нулю и направлена вглубь жидкой фазы. Эту силу называют внутренним давлением. Такое давление стремится затянуть все молекулы с поверхности вглубь жидкости. Под действием этого давления жидкость сжимается и ведет себя так, как будто у нее есть «кожа». Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление.

Для того чтобы создать новую поверхность раздела фаз, например, растянуть жидкость в пленку, надо затратить работу против сил внутреннего давления. Чем больше внутреннее давление, тем большую энергию требуется затратить. Эта энергия сосредоточивается в молекулах, находящихся на поверхности, и называется свободной поверхностной энергией.

Работу, затраченную на образование 1см² поверхности раздела фаз, или эквивалентную ей свободную поверхностную энергию, называют поверхностным натяжением и обозначают греческой буквой «сигма». Размерность «сигма» - Дж/м². Тогда запас свободной энергии (F_s), cконцентрированной на поверхности раздела фаз (S) равен произведению «сигма» на S. Следовательно, чем меньше размер частиц, тем больше поверхность раздела фаз S, и тем большим запасом свободной поверхностной энергии обладает данная дисперсная система по сравнению с обычными массивными телами.

Из термодинамики известно, что условием устойчивого равновесия системы является минимум свободной энергии. В связи с этим, дисперсные системы термодинамически неустойчивы: в них самопроизвольно протекают процессы, связанные с уменьшением поверхности раздела фаз за счет укрупнения частиц.

Очевидно, что состоянию равновесия отвечает расслоение системы (например, эмульсия разделяется на две жидкости, а суспензия ─ на жидкость и осадок). Кроме того, так как величина F_s ??? стремится к минимуму, жидкость в свободном состоянии принимает форму сферы, (капли жидкости). Это объясняется тем, что поверхность шара является минимальной для данного объема вещества.

Минимум величины F_s, то есть состояние равновесия системы, может быть достигнуто также за счет стремления к минимуму величины «сигма». Таким образом, самопроизвольными в дисперсных системах являются также процессы, связанные с уменьшением величины поверхностного натяжения.

Для твердых тел, которые не могут изменять свою форму также легко, как жидкости, свободная поверхностная энергия F_s может уменьшаться только одним путем ─ за счет уменьшения величины поверхностного натяжения. Это происходит так: молекулы, лежащие в поверхностном слое, способны притягивать и иногда очень прочно удерживать другие молекулы из среды, окружающей твердое тело. Это явление носит название сорбции.

На величину поверхностного натяжения вещества оказывают влияние:

1. Природа вещества. Величина «сигма» определяется строением конденсированной фазы, то есть природой сил, действующих между частицами. Чем больше полярность химических связей в веществе, тем более высокие величины «сигма» характерны для этого вещества. Среди жидкостей (на границе с воздухом) наибольшую величину «сигма» имеет вода. Еще более высокие величины поверхностного натяжения наблюдают в расплавах ионных кристаллов и в твердых металлах.

2.Температура. При повышении температуры величина «сигма» уменьшается, так как тепловое движение частиц при нагревании ослабляет действие межчастичных сил в веществе.

3. Концентрации вводимых добавок. Величина «сигма» зависит от концентрации веществ, растворенных в исследуемой жидкости. Различают два вида веществ.

3а. Поверхностно ─ инактивные вещества (ПИВ), повышающие поверхностное натяжение раствора по сравнению с чистым растворителем. К ним относится большинство веществ, являющихся сильными электролитами. Например, растворимые соли, щелочи, сильные кислоты.

3б. Поверхностно − активные вещества (ПАВ), сильно понижающие поверхностное натяжение образовавшегося раствора. С увеличением концентрации ПАВ в растворе величина «сигма» для раствора резко уменьшается, так как вещество концентрируется (сорбируется) в поверхностном слое раствора, а не распределяется равномерно в объеме раствора.

В водных растворах поверхностную активность проявляют полярные органические соединения: спирты, кислоты, соли и др. В молекулы таких соединений одновременно входят полярная группа: - О, -ОН, -СООН, или -NH₂ (ее условно изображают кружком), а также неполярная углеводородная цепь (ее условно изображают чертой). Схематично молекулу ПАВ условно обозначают так: «О──── ».

Типичным примером ПАВ является натриевая соль стеариновой кислоты С₁₇Н₃₅СООNа (твердое мыло). Неполярная углеводородная цепь в этой формуле –

-С₁₇Н₃₅. Полярная группа – это: -COONa.

Контрольные вопросы к лекции 5 на тему: «Поверхностные явления»

1. Где протекают поверхностные явления и какие процессы к ним относятся?

2. Как образуется внутреннее давление в жидкостях и от каких факторов оно зависит?

3. Что такое поверхностное натяжение вещества, как обозначается и в каких единицах измеряется.

4. Как связаны величины: запас свободной поверхностной энергии F_s и размер частиц дисперсной системы?

5. Какие системы – с минимальной или с максимальной поверхностной энергией -

являются термодинамически устойчивыми?

6. Какие самопроизвольные процессы характерны для дисперсных систем?

7. Какие факторы и как влияют на величину поверхностного натяжения?

8. Какие вещества называются: - ПАВ; - ПИВ?

Приведите примеры таких веществ, укажите их формулы.

9. Поясните схему обозначения и строение любой молекулы ПАВ.