Глава VIII адсорбция на подвижной границе раздела фаз Вопросы к занятию

1. Понятие о поверхностной энергии и поверхностном натяжении.

2. Адсорбция^её основные понятия и виды.

3. Адсорбция на границе раздела жидкость-газ, жидкость-жидкость.

Уравнение адсорбции Гиббса.

4. Изотерма поверхностного натяжения. Поверхностная активность.

5. Шнятие о поверхностно-активных и неактивных веществах Правило

Дюкло-Траубе.

6. Ориентация молекул в поверхностном слое. Понятие о липосомах.

Структура биологических мембран.

§ 1 Понятие о поверхностной энергии и поверхностном натяжении

Твердые тела и жидкости обладают поверхностями раздела с соседними фазами. Состояние молекул вещества в объеме фазы и в поверхностном слое не одинаково. Основное отличие состоит в том, что поверхностный сухой молекул твердого тела или жидкости обладает избытком энергии Гиббса в сравнении с молекулами объемной фазы. Наличие поверхностной энергии Гиббса обусловлено неполной компенсированностью межмолекулярных сил притяжения у молекул поверхностного слоя вследствие их слабого взаимодействия с граничащей фазой.

Рассмотрим действие молекулярных сил на молекулу в глубине и на поверхности жидкости на примере двухфазной системы жидкость-воздух (рис.1) :

Выделим молекулу А жидкости в объемной фазе и молекулу Б жидкости в поверхностном слое. Силы сцепления, действующие со стороны "окружающих молекул на молекулу А, уравновешивают друг друга, их равнодействующая равна нулю. На молекулу Б, находящуюся на

¹ поверхности раздела жидкость-воздух,

⁴ Рис 1 со стороны граничащих фаз действуют

силы разного значения, так как суммарные силы притяжения единицы объема жидкости много больше, чем единицы объема воздуха.

Равнодействующая Р сил у молекулы Б направлена вниз перпендикулярно поверхности жидкости. Под влиянием таких

123

некомпенсированных сил йахойятся все молекулы поверхностного слоя жидкости.

Следовательно, потенциальная энергия молекул на поверхности раздела

фаз выше, чем у молекул внутри фазы. Эти отличая в энергетическом состоянии всех молекул поверхностного слоя характеризуются свободной поверхностной энергией G_s

Свободной поверхностной энергией называется термодинамическая функция, характеризующая энергия межмолекулярного взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз с частицами каждой из контактирующих фаз. Свободная поверхностная энергия зависит от количества частиц на поверхности раздела, а потому прямо пропорциональна площади раздела фаз и удельной энергии межфазного взаимодействия:

где о - поверхностное натяжение или удельная свободная поверхностная энергия, которая характеризует энергию межфазного взаимодействия единицы площади поверхности раздела фаз; S-площадь поверхности раздела фаз.

Из уравнения (1) следует:

Поверхностное натяжение а является важной характеристикой любой жидкости. Физический смысл поверхностного натяжения может иметь энергетическое и силовое выражение.

Согласно энергетическому выражению, поверхностное натяжение есть поверхностная энергия Гиббса единицы поверхности. В таком случае а равна работе, затраченной на образование единицы поверхности. Энергетической

единицей а является

м

Силовое определение поверхностного натяжения формулируется следующим образом: <т - это сила, действующая на поверхности по касательной к ней и стремящаяся сократить свободную поверхность тела до наименьших возможных пределов при данном объеме. В этом случае единицей измерения a

Н

является —.

м

В гетерогенных системах поверхность раздела, приходящаяся на единицу массы, очень мала. Поэтому величиной поверхностной энергии Гиббса G_s можно пренебречь.

Согласно второму закону термодинамики, энергия Гиббса системы самопроизвольно стремится к минимуму. У индивидуальных жидкостей уменьшение поверхностной энергии Гиббса осуществляется в основном за счет сокращения поверхности (слияние мелких капель в более крупные, шарообразная форма капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии). В растворах уменьшение поверхностной энергии Гиббса может происходить также за счет изменения концентрации компонентов в⁴⁴ поверхностном слое.

л

124