Поверхностные явления. Адсорбция
Рассмотрим систему, состоящую из жидкости и газа. Молекула жидкости, находящаяся внутри жидкости, окружена себе подобными молекулами. Силы взаимодействия между такими молекулами при этом взаимно уравновешиваются.
Молекулы поверхностного слоя граничат не только с себе подобными молекулами, но и с молекулами газа. Поэтому равнодействующая сила в этом случае направлена вглубь жидкости и втягивает её внутрь жидкости, чем стремится уменьшить поверхность до минимально возможной в данных условиях.
Для того, чтобы оставаться на поверхности, молекуле нужно преодолеть силу внутреннего давления и совершить определённую механическую работу против сил молекулярного сцепления. Очевидно, что чем оно больше, тем больше энергии надо затратить. Молекулы, обладающие достаточной энергией (по сравнению со средней энергией остальных молекул) будут находиться на поверхности.
Избыток энергии, сосредоточенный в молекулах находящихся на поверхности, называется избыточной поверхностной энергией Гиббса.
П
ри
площади поверхности раздела фаз S
и поверхностном натяжении σ
поверхностная энергия Гиббса выражается
таким образом:
G = σ ∙ S.
Физический смысл поверхностного натяжения:
1) Согласно энергетическому выражению:
поверхностное натяжение σ есть поверхностная энергия Гиббса единицы поверхности (т.е. удельная поверхностная энергия Гиббса).
В таком случае σ равно работе, затраченной на образование единицы поверхности. Энергетической единицей σ является Дж/м2.
2) Силовое определение:
σ – это сила, действующая на поверхности по касательной к ней и стремящаяся сократить свободную поверхность тела до наименьших возможных пределов при данном объёме. В этом случае единицей измерения σ является Н/м. Дж/м2 = Н∙м/м2 = Н/м.
Поверхностное натяжение зависит от:
1) на границе «жидкость – жидкость» от природы соприкасающихся фаз: чем больше разность полярностей фаз, тем больше поверхностное натяжение на границе их раздела.
2) поверхностное натяжение жидкостей уменьшается с ростом температуры.
3) с повышением давления в системе «жидкость – газ» поверхностное натяжение уменьшается
Самопроизвольные процессы в поверхностном слое происходят с уменьшением энергии Гиббся Δ G0. Это можно осуществить за счет уменьшения поверхностного натяжения или за счет сокращения площади поверхности.
Для индивидуальных веществ поверхностное натяжение постоянно. В этих случаях самопроизвольно могут протекать процессы, сопровождающиеся уменьшением площади межфазной поверхности (стремление капель жидкости или пузырьков газа принять сферическую форму (сферические частицы имеют самую маленькую удельную поверхность); слипание твёрдых частиц дисперсной фазы (коагуляция); рост кристаллов).
Если площадь имеется смесь веществ, уменьшение энергии возможно за счёт уменьшения поверхностного натяжения (dσ<0) за счет выведения в поверхностный слой компонента раствора с наименьшим поверхностным натяжением (адсорбции).