78

ЛЕКЦИЯ № 1

Физическая химиия поверхностных явлений и дисперсных систем

1. Предмет и основные понятия коллоидной химии

Коллоидная химия — раздел физической химии, изучающий поверхностные явления и дисперсные физико-химические системы.

Поверхностные явления — это процессы, происходящие на границах раздела фаз, составляющих физико-химические системы.

Фаза — однородная по составу и одинаковая по физическим и химическим свойствам часть физико-химической системы, отделенная от других ее частей поверхностями раздела.

Поверхностные явления сильнее всего проявляются в системах с очень большой поверхностью раздела фаз. К таким системам относятся поверхностные слои, пленки, нити, капилляры, мелкие частицы. Их совокупность вместе со средой, в которой они находятся, образует дисперсную коллоидную систему.

Та часть системы, которая находится в измельченном состоянии, называется дисперсной фазой.

Сплошная фаза, в которой распределена дисперсная фаза, называется дисперсионной средой.

Для коллоидных систем характерны два общих признака: гетерогенность и дисперсность.

Гетерогенность, или многофазность, указывает на наличие межфазной поверхности, т. е. на неоднородность системы.

Дисперсность (раздробленность) — определяется степенью измельчения вещества дисперсной фазы, т.е. размерами частиц. Размеры частиц дисперсных систем, изучаемых коллоидной химией, находятся в пределах от 10^–2 до 10^–7 см.

Коллоидные дисперсные системы характеризуются также определенным видом энергии — поверхностной энергией Гиббса G_s.

Гетерогенность предполагает наличие поверхностного натяжения σ.

Дисперсность определяет величину межфазной поверхности S.

Энергия поверхности G_s = σS. Чем больше дисперсность, тем больше в системе свободная поверхностная энергия.

Большой запас энергии определяет еще одну характерную особенность дисперсных коллоидных систем — их неустойчивость.

Совокупность свойств типичных коллоидных систем: термодинамическая неустойчивость, высокая лабильнось и неполная воспроизводимость по отношению к биологическим дисперсным системам определяет их эволюцию.

1. Термодинамика поверхностных явлений

Поверхностные явления протекают на границах раздела фаз и обусловлены особыми свойствами поверхностных слоев.

Состояние молекул или атомов, находящихся в поверхностном слое, иное, чем у молекул или атомов, находящихся в объеме фазы.

Из-за нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия со стороны воздуха энергия у молекул поверхностного слоя выше, чем у молекул в объеме фазы.

Суммарный избыток энергии молекул поверхности —свободная поверхностная энергия Гиббса Gs.

Общая энергия системы G — сумма поверхностной энергии Гиббса G_s и энергии Гиббса объемной фазы Gv:

G = G_s + Gv

Пусть имеется гомогенная фаза с площадью поверхности А, тогда:

G_s = A h^σ – TAs^σ,

где h^σ и s^σ — энтальпия и энтропия единицы поверхности, а Ah^σ и As^σ — энтальпия (H_s) и энтропия (S_s) поверхности.

Общая энергия Гиббса системы:

G = Hv – TSv + H_s – TS_s,

где H_s и S_s — избыточные значения термодинамических величин, обусловленные наличием поверхностных слоев.

Поверхностная энтальпия H_s = G_s + TS_s. Если энтропийный фактор незначителен, то H_s = G_s.