5.3 Поверхностные явления в дисперсных системах

На границе раздела фаз, например, жидкости и воздуха, возникают особые условия, т.к. молекулы поверхностного слоя в отличие от молекул внутренних слоев подвергаются неодинаковому притяжению молекулами дисперсионной среды и дисперсной фазы. На этой границе возникают особые явления, называемые поверхностными. Их делят на физические, химические и электроповерхностные.

К физическим поверхностным явлениям относят:

1. Поверхностное натяжение – это сила, стремящаяся втянуть молекулы на поверхности внутрь дисперсионной среды и тем самым сократить ее поверхность (например, капля жидкости всегда стремится принять форму шара, поскольку при данном объеме форма шара обладает минимальной поверхностью);

2. Поверхностый слой – это слой толщиной в 1-2 атомных размера, имеющий особое фазовое состояние, который имеет повышенные значения энергии энтропии и плотности вещества;

3. Капиллярное давление – искривление поверхности жидкости;

4. Смачивание – явление, происходящее при контакте жидкостей с поверхностью твердых тел. Если силы взаимодействия твердой поверхности и жидкости сильные, то капля жидкости растечется по поверхности. В этом случае поверхность смачивается водой, и ее называют гидрофильной (например, капля воды на стекле). Если силы взаимодействия твердой поверхности и жидкости слабые, то капля жидкости будет кататься по поверхности. Такая поверхность не смачивается водой, и ее называют гидрофобной (например, капля воды на парафине);

5. Адгезия – явление возникновения механической прочности при контакте поверхностей двух разных веществ (например, склеивание различных материалов).

Химические поверхностные явления сопровождаются значительными изменениями состава и структуры тонких поверхностных слоев жидкостей и твердых тел. Наиболее важное из них адсорбция – это процесс самопроизвольного концентрирования вещества на границе раздела фаз, т. е. в поверхностном слое. То вещество, на поверхности которого идет адсорбция, называют адсорбентом, а то вещество, которое адсорбируется, называют адсорбтивом. Например, в процессе фильтрации воды, активированный уголь является адсорбентом, а растворенные в воде соли – адсорбтивами. физические процессы молекулярной адсорбции на твердой поверхности для малых и больших концентраций растворов описывают уравнением Ленгмюра:

Г = Г_max ∙ С/(а + С), (5.2)

где Г – величина адсорбции, кмоль/кг;

Г_max – максимальная адсорбция, кмоль/кг;

С – равновесная концентрация адсорбтива, кмоль/м³;

а – константа.

Адсорбция на жидкой поверхности приводит к изменению поверхностного натяжения. Вещества, уменьшающие поверхностное натяжение растворителя (воды), называются поверхностно-активными (ПАВ). Это вещества менее полярные, чем вода. К ним относят многие органические соединения – жирные кислоты, их соли, амины, белки, холевые кислоты. Вещества, увеличивающие поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-инактивными. Это вещества более полярные, чем вода (растворимые в воде неорганические электролиты). Некоторые вещества равномерно распределяются между поверхностным слоем и объемом раствора и не изменяют поверхностное натяжение растворителя (например, раствор сахара в воде).

ПАВ находят разнообразное применение в промышленности и сельском хозяйстве. Они используются при изготовлении моющих средств; при изготовления эмульсий и смачивающих порошков для защиты растений от вредителей; в текстильной промышленности для изменения природы поверхностей тканей и кожаных изделий; фрукты и овощи, смоченные ПАВ, длительное время сохраняют свежесть и сочность; добавки ПАВ к кормам увеличивают привес животных и птиц. Поверхностно-инактивные вещества находят широкое применение в ионообменной адсорбции (катиониты и аниониты) и хроматографии – методе разделения смеси веществ на отдельные компоненты.