Глава VII

 

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. АДСОРБЦИЯ

 

§ 20. Общие свойства пограничных слоев. Понятие об адсорбции

 

В дисперсных системах, обладающих очень разви­той поверхностью раздела фаз, большое значение име­ют так называемые поверхностные явления.

Поверхность раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды   в коллоидных системах достигает колоссальных размеров. Это можно проиллюстрировать на следующем примере. Известно, что пло­щадь граней куба с длиной ребра в 1 см равна 6 см². Если этот куб разделить на кубики с длиной ребра 1 мм, то площадь поверхности всех кубиков будет рав­на 60 см², а при длине ребра в 0,1 мм общая площадь поверхности всех граней станет равной 600 см². При длине ребра кубика 10^-3 см общая поверхность равна 6000 см², а при длине 10^-6 см (размер коллоидных час­тиц) суммарная поверхность составит 6*10^-6 см². Следо­вательно, в результате высокой степени дисперсности коллоиды обладают большой удельной поверхностью (суммарной поверхностью 1 см³ вещества). Если при­нять, что все коллоидные частицы шарообразные, то удельная поверхность в см^-1 определяется выражением

                       (VII.1)

Н аличие развитой поверх­ности в коллоидных растворах объясняет многие физико-хи­мические особенности этих си­стем. Поверхностные явления в коллоидах играют первосте­пенную роль. Поэтому можно сказать, что коллоидная хи­мия — это физическая химия дисперсных систем и поверх­ностных явлений.

Свободная поверхностная энергия. Молекулы поверхностного слоя коллоидных частиц, имеют часть  ненасыщенных, неиспользован­ных сил сцепления, которые представляют собой избыточную энергию. Эта избыточ­ная энергия молекул поверхностного слоя называется свободной поверхностной энергией. На рис. 22 приведена схема, объясняющая возникновение поверхностного на­тяжения на поверхности коллоидной частицы.

Свободная энергия любой поверхности (поверхност­ная энергия) определяется величиной поверхностного натяжения и суммарной поверхностью раздела фаз и рассчитывается по уравнению

 

Е=σS,                                 (VII. 2)

 

где Е — свободная поверхностная энергия; σ — поверх­ностное натяжение; S — площадь поверхности раздела фаз.

Так как в любом золе содержится огромное количе­ство коллоидных частиц, а следовательно, суммарная поверхность раздела фаз чрезвычайно велика, коллои­ды обладают громадным запасом свободной поверхно­стной энергии.

В системах, обладающих избытком свободной энер­гии, могут самопроизвольно протекать процессы, пони­жающие запас этой энергии. Но так как поверхностная энергия выражается произведением поверхностного на­тяжения на величину поверхности, то уменьшение по­верхностной энергии возможно в результате или умень­шения поверхностного натяжения а, или уменьшения поверхности S.

Стремление к уменьшению суммарной поверхности для коллоидных частиц проявляется в самоукрупнении — коагуляции, для чистых жидкостей — в шарооб­разной форме капель. Поверхностное же натяжение может быть уменьшено за счет притяжения к поверхно­сти коллоидной частицы молекул, атомов или ионов из окружающей среды.

Адсорбция. Концентрирование газообразного или растворенного вещества на границе раздела фаз — на поверхности твердого тела или жидкости — называется адсорбцией.

Адсорбция обусловлена наличием адсорбционных сил, имеющих различную природу. Принято различать межмолекулярные (вандерваальсовы) и химические (ионные, ковалентные) силы взаимодействия между ато­мами и молекулами, находящимися на поверхности. Вещество, способное поглощать (адсорбировать) другое вещество на своей поверхности, называется адсорбен­том. Адсорбируемое вещество называется адсорбтивом.

В некоторых случаях поглощение, начавшееся на поверхности, распространяется вглубь поглотителя. Та­кой процесс называется абсорбцией. Если поглощение сопровождается химическим взаимодействием поглощае­мого вещества с веществом-поглотителем, такой процесс носит название хемосорбции. В качестве примера хемосорбции можно указать на поглощение диоксида углеро­да или диоксида серы натронной известью (смесью NaOH и Са(ОН)₂), которая, поглощая эти газы, химически с ними взаимодействует.

Адсорбция, абсорбция и хемосорбция объединяются общим понятием сорбции. К сорбции также относят и капиллярную конденсацию, заключающуюся в поглоще­нии и конденсации твердыми пористыми адсорбентами газов и паров. Наибольшее значение имеет адсорбция.

Процесс адсорбции обратим. Частицы в адсорбцион­ных слоях не закреплены жестко, они совершают коле­бательные движения, то приближаясь к поверхности адсорбента, то удаляясь от нее. Некоторые из них могут выходить за пределы действия сил притяжения адсор­бента. В таком случае наблюдается обратный процесс — десорбция, т. е. отрыв молекул или ионов адсорбирован­ных веществ от поверхности адсорбента и уход их в окру­жающее пространство.

Со временем система приходит в состояние адсороционного равновесия: