Дисперсные системы. Коллоидные растворы §1. Поверхностная энергия.

Все конденсированные тела (жидкие и твёрдые) ограничены внешней поверхностью, которая соприкасается с фазами другого состава. Свойства вещества в поверхностном слое отличаются от свойств внутри объёма, потому что внутри объёма любая частица вещества окружена себе подобными частицами, а в пограничном слое частицы находятся в иных условиях:

а) взаимодействуют с частицами с другой химической природы (например, на границе раздела двух жидкостей);

б) взаимодействуют с разным числом таких же частиц (например, на границе «твердое – газ» или «жижкое – газ»).

По этим причинам граница конденсированного тела обладает некоторой свободной энергией - её называют поверхностной энергией σ(единицы измерения = ).

Если речь идет о границе раздела между двумя конденсированными фазами, то поверхностную энергию называют поверхностным натяжением.

Значение σ зависит от природы соприкасающихся фаз, температуры и концентраций растворенных веществ.

Присутствие растворенного вещества в растворе может оказывать двоякое влияние на величину поверхностного натяжения:

1) молекулы растворенного вещества будут находиться преимущественно в поверхностном слое и уменьшать величину σ(такие вещества называются поверхностно-активными веществами или ПАВ);

2) молекулы растворенного вещества вытесняются из поверхностного в объём и увеличивают σ(их называют поверхностно-инактивными или ПИВ).

Влияние температуры на σ: с увеличеением температуры значение поверхностной энергии обычно уменьшается, та как ослабевают силы межмолекулярного взаимодействия.

Изменение энергии Гиббса ∆G любого вещества имеет две составляющие: объёмную и поверхностную

∆G = ∆G _пов + ∆G_об ,

При этом

∆G _пов = σ  S

где S – поверхность, занимаемая 1моль вещества .

Когда вещество находится в крупном куске ∆G _пов << ∆G_об и величиной поверностной составляющей можно пренебречь. Для веществ, в тонко раздробленном состоянии ∆G _пов >> ∆G_об и данную составляющую следует учитывать.

Любая система в любом процессе всегда стремится достигнуть состояния равновесия, которое характеризуется величиной ∆G = 0. Таким образом, при стремлении к равновесию ∆G → min.

Уменьшение энергии Гиббса поверхности может быть достигнуто (если Т = const):

1) за счет уменьшения S (может быть достигнуто путем укрупнения частиц);

2) путем снижение поверхностной энергии (или натяжения) при адсорбции вещества в поверхностном слое.

§ 2. Адсорбция.

Это явление поглощения поверхностью конденсируемого вещества других веществ. Она возникает из-за наличия у тела поверхностной энергии, так как, притягивая к себе частицы другой фазы и устанавливая с ними связь, частицы поверхностного слоя снижают свою поверхностную энергию σ.

Вещество, которое она поглощает другие вещества, называется адсорбент. Поглощаемые адсорбентом вещества называются адсорбатами или адсорбативами.

Адсорбцию обозначают символм Г и измеряют в .

Связь между адсорбцией вещества, поверхностным натяжением и концентрацией растворенного вещества выражается уравнением Гиббса:

где С – молярная концентрация растворенного вещества, моль/л, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура раствора; - частная производная поверхностного натяжения по концентрации при постоянной температуре.

Для поверхностно-активных веществ (ПАВ) < 0, то есть адсорбция (Г) величина положительная; а для ПИВ > 0, следовательно Г < 0.

Адсорбция бывает:

1) физическая – проявляется при низких температурах на всех поверхностях, при этом адсорбированные частицы не изменяют своего строения. Данный процесс сопровождается образование непрочных связей.

2) химическая (иначе хемосорбция) – адсорбированные частицы вступают в химическую реакцию с адсорбентом, образуя прочные химические связи.

Физическая адсорбция – это обратимый процесс, тогда как химическая – необратимый.

Применение адсорбции: для поглощения отдельных компонентов из потока газа (противогаз), извлечения редких металлов; очистки воды от ионов и пр.