Поверхностные явления.

Живые организмы представляют собой системы с очень развитыми поверхностями раздела, к которым относятся кожные покровы, поверхность стенок кровеносных сосудов, слизистые оболочки, клеточные мембраны, мембраны ядер, митохондрий, лизосом и т.д.

Наглядное представление о значении поверхностных явлений в живом организме можно получить, рассматривая процесс дыхания, первой стадией которого является адсорбция молекул кислорода на разветвлённой поверхности альвеол лёгких. Эритроциты, обладая высокоразвитой поверхностью, адсорбируют и переносят с током крови большое количество веществ: электролитов, белков, аминокислот и других, необходимых организму. Большинство реакций, протекающих в биологических системах, совершаются при участии белков-ферментов. Первой стадией действия ферментов является адсорбция молекул субстратов на их активных центрах с образованием фермент-субстратных комплексов.

Многие жизненно важные биохимические процессы в организме протекают на поверхности биологических мембран, поэтому для понимания их механизма необходимо знание основных закономерностей, которым подчиняются поверхностные явления.

Явления, происходящие на границах раздела фаз в гетерогенных системах, называют поверхностными.

Они обусловлены особенностями состава и структуры поверхностей.

Образование поверхности раздела фаз требует совершения работы, следовательно, оно сопровождается увеличением свободной энергии системы. В поверхностном слое накапливается некоторый избыток энергии – поверхностная энергия Гиббса G_S, пропорциональная площади поверхности раздела фаз S: G_S = S.

Причиной возникновения поверхностной энергии на межфазных границах являются некомпенсированные атомные или молекулярные силы в поверхностном слое. Ненасыщенное силовое поле, возникающее на границе раздела фаз, связано с различным характером взаимодействия между молекулами в объеме и на поверхности фаз. Силы, действующие между молекулами в объеме одной фазы, называются когезионными. Силы, действующие между молекулами различных фаз, называются адгезионными.

В объеме жидкой фазы каждая молекула находится в уравновешенном состоянии, так как силы когезионных взаимодействий со стороны таких же окружающих молекул компенсируются и результирующая (равнодействующая) сила будет равна нулю.

На молекулы, находящиеся в поверхностном слое, действуют как когезионные, так и адгезионные силы. Равнодействующая сила когезионных и адгезионных взаимодействий всегда направлена в сторону более плотной фазы и равна разности когезионных и адгезионных сил.

Равнодействующие некомпенсированные силы, действующие в поверхностном слое, являются источником свободной поверхностной энергии (G_S) дисперсной гетерогенной системы.

Свободная поверхностная энергия  это термодинамическая функция, характеризующая энергию межмолекулярного взаимодействия молекул на поверхности раздела фаз с молекулами каждой из контактирующих фаз.

G _S = σ  S

где G_S – свободная поверхностная энергия, Дж

S – общая поверхность раздела гетерогенной системы, м²

σ – удельная поверхностная энергия или коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м² или Н/м

Согласно второму закону термодинамики, свободная энергия системы для самопроизвольно протекающих процессов должна уменьшаться, т.е. G_S < 0,

что возможно в двух случаях:

1. при уменьшении коэффициента поверхностного натяжения,

  0, следовательно G_S = S  0;

2. при уменьшении площади общей поверхности системы,

S  0, следовательно G_S = S  0;

В первом случае для снижения величины  необходимо увеличить адгезионное взаимодействие, что возможно при переходе молекул третьего компонента на границу раздела фаз.

Во втором случае сокращение поверхности раздела фаз возможно за счёт объединения частиц дисперсной фазы (S₁ + S₂  S_общ.) S < 0  G_S < 0