2 Классификация поверхностных явлений
Классификация поверхностных явлений может быть проведена на основе объединенного первого и второго законов термодинамики:
φdq, (II.1)
где G -энергия Гиббса,
S – энтропия;
T – температура;
V – объем;
p – давление;
σ - поверхностное натяжение;
s - площадь поверхности;
μi - химический потенциал i - того компонента;
ni - число молей i - того компонента;
φ - электрический потенциал;
q - количество электричества.
Это уравнение показывает, что превращение поверхностной энергии возможно по пяти направлениям: в энергию Гиббса, теплоту, механическую энергию, химическую энергию, и в электрическую энергию. Эти превращения протекают при таких явлениях как изменение реакционной способности при изменении дисперсности, адгезия и смачивание, капиллярность, адсорбция, электрические явления.
Поверхностные явления связаны с особым термодинамическим состоянием вещества в поверхностном слое. Эта особенность проявляется в не насыщенности физических связей и химических связей молекул на поверхности раздела фаз. Для твердых тел она зависит еще и от типа кристаллов. У большинства жидкостей и твердых тел поверхностные силы обусловлены ван-дер-ваальсовыми и водородными связями. Это неспецифические и слабо насыщаемые связи с низкой энергией. Проявляются они на сравнительно больших расстояниях. Такие поверхностные силы способны образовывать ван-дер-ваальсовы и водородные связи с молекулами веществ, оказавшимися на поверхности. Поверхностные силы определяются свойствами объема веществ. При разрушении кристаллов, имеющих атомную кристаллическую решетку, поверхностные силы обусловлены разрывом ковалентных связей. Реакционная поверхность таких тел очень велика, связи обладают высокой энергией и специфичностью. Следовательно, поверхностные силы определяются свойствами объема веществ
3 Дисперсность, удельная поверхность
Размер частиц дисперсной фазы характеризуется диаметром d или поперечником а. Для характеристики степени раздробления применяются также обратные величины, называемые дисперсностью
D
=
=
. (III.1)
Используют и величину удельной поверхности в расчете на объем (Sуд) или массу (Sуд) дисперсной фазы:
Sуд
=
, Sуд
=
,
(III.2)
где Sуд , Sуд - удельная поверхность;
s, V, m – соответственно поверхность, объем, масса дисперсной фазы.
Для систем, имеющих частицы кубической формы (s = 6 l2 , V = l3)
Sуд
=
,
(III.3)
а для систем с частицами сферической формы
Sуд
=
. (III.4)
В общем случае
Sуд = kD, (III.5)
где k - коэффициент, зависящий от формы частиц.
4 Классификация дисперсных систем
4.1 Классификация дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы
Для систем с кубическими частицами построим зависимость Sуд=f(l). Для этого для различных значений l рассчитаем Sуд :
|
l (м) |
10-3 |
10-4 |
10-5 |
10-6 |
10-7 |
10-8 |
10-9 |
10-10 |
|
Sуд (м -1) |
6.103 |
6.104 |
6.105 |
6.106 |
6.107 |
6.108 |
6.109 |
6.1010 |
На рис.1 кривая зависимости удельной поверхности от размера частиц имеет вид равносторонней гиперболы. Справа в области грубодисперсных систем кривая асимптотически приближается к оси абсцисс, а слева она обрывается, когда коллоидные частицы достигают молекул и поверхность между обеими фазами исчезает. На кривой выделяют 4 области, соответствующие классификации дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы:
1-частицы раздроблены до молекулярных размеров 10-10 м – это молекулярные или истинные растворы,
2- частицы размером 10-7 - 10-9 м – это ультра микрогетерогенные системы или коллоидные растворы,
3- частицы размером 10-4 - 10-7 м – это микрогетерогенные системы,
4- частицы размером более 10-4 м – это грубодисперсные системы.
10-10 10-7 10-4
Рисунок IV.1- Зависимость удельной поверхности от размера частиц дисперсной фазы
В таблице IV.1 приведены обобщенные свойства дисперсных систем.
Таблица IV.1- Свойства дисперсных систем
|
Молекулярные системы |
Ультрамикрогетерогенные (коллоидные) системы |
Микрогетерогенные системы |
|
1. Частицы не видимы в микроскоп |
1. Частицы видимы в ультрамикроскоп |
1. Частицы видимы в микроскоп |
|
2. Частицы проходят через бумажный фильтр |
2. Частицы проходят через бумажный фильтр |
2. Частицы не проходят через бумажный фильтр |
|
3. Быстрая диффузия |
3. Медленная диффузия |
3. Медленная диффузия |
|
4. Частицы проходят через полупроницаемые перегородки (мембраны) |
4. Частицы не проходят через полупроницаемые перегородки (мембраны) |
4. Частицы не проходят через полупроницаемые перегородки (мембраны) |
Поведение грубодисперсных систем и молекулярных растворов определяется объемными свойствами, а свойства ультра- и микрогетерогенных систем определяется поверхностными свойствами из-за большой поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Эти системы являются объектами специального изучения. Науку, изучающую свойства ультра- и микрогетерогенных систем с учетом поверхности раздела называют часто коллоидной химией.