12.2. Поверхностные явления в дисперсных системах

В гетерогенных системах, в которых одна из фаз представляет собой сравнительно крупные частицы, поверхность раздела фаз невелика. В таких системах поверхностные явления практически не проявляются. По мере уменьшения размеров частиц (диспергирования) вещества одной из фаз возрастает абсолютная величина поверхности раздела и поверхностные свойства в дисперсных системах приобретают все большее значение.

Мерой раздробленности, или дисперсности, системы принято считать дисперсность D– величину, обратную величине размера (диаметра) дисперсной частицыа.

Для сравнения поверхностей раздела принято пользоваться понятием удельной поверхности S_уд., т.е. величиной поверхности всех частиц, заключенной в единицах массы вещества.

Величина удельной поверхности пропорциональна дисперсности системы (обратно пропорциональна размеру частиц):

, (12.2)

где k₁,k₂иk– коэффициенты пропорциональности, связанные с формой частиц. Например, для частиц шарообразной формыk₁=;k₂=/6 иk= 6, а для кубической – соответственно 6,1 и 6. При размерах частиц порядка 10 нм величина удельной поверхности – сотни квадратных метров на грамм.Таким образом, в результате диспергирования вещества происходит увеличение роли поверхностных свойств в общих свойствах системы и одновременно увеличивается абсолютное значение поверхностной энергии, что определяет огромное значение поверхностных явлений для дисперсных систем. Поверхностные явления, например, лежат в основе свойств коллоидных систем.

12.3. Поверхностное натяжение и природа вещества

Поскольку поверхностное натяжение является результатом нескомпенсированности межмолекулярного взаимодействия в разных фазах, оно определяется разностью интенсивности взаимодействия молекул внутри каждой фазы и взаимодействия молекул различных фаз. Интенсивность молекулярных взаимодействий внутри фазы в теории поверхностных явлений обычно обозначают термином «полярность». Полярность вещества в очень большой степени связана с такими параметрами, как дипольный момент молекул, диэлектрическая проницаемость, поляризуемость молекул, способность к образованию водородной связи между молекулами. Однако существенное значение играют также плотность вещества, геометрия строения молекул, ориентация молекул в поверхностном слое, определяющая направление силовых полей, возможная взаимная растворимость граничащих фаз, их химическое взаимодействие.

Экспериментальные методы определения поверхностного натяжения применимы к двухфазным системам с легкоподвижной, обратимо изменяемой поверхностью раздела газа с жидкостью или двух несмешивающихся жидкостей. Как правило, они основаны на измерении силы, уравновешиваюшей поверхностное натяжение. Прямое определение поверхностной энергии твердых тел невозможно, и величина  для них оценивается лишь косвенно.

Самое малое поверхностное натяжение характерно для сжиженных инертных газов, поскольку симметричные молекулы их обладают ничтожной поляризуемостью. Поверхностное натяжение органических жидкостей возрастает с увеличением их полярности. Вода обладает очень большой величиной поверхностного натяжения по сравнению с другими жидкостями, что связано со склонностью воды к образованию водородных связей.

Еще выше поверхностное натяжение расплавленных солей и металлов, для которых характерна ионная связь, например:

жидкий гелий Т= –270,5 ˚С10³, Дж/М²– 0,30

гексан (20) 9,8

фенол (20) 42,3

вода (20) 72,7

расплав NaCl(810) 113

жидкое железо (1515) 1880

Поверхностная энергия твердых тел, определяемая косвенными методами, оказалась существенно большей, чем в случае жидкостей.