12

Лекція № 9 Фізико-хімія поверхених явищ. Адсорбція

1. Загальні уявлення про поверхневі явища в дисперсних системах

Системи, в яких одна речовина у вигляді дуже дрібних частинок рівномірно розподілена в об’ємі іншої називається дисперсною системою. Дисперсна фаза – це диспергована речовина. Дисперсійне середовище – середовище, у якому диспергована дисперсна фаза. Наприклад, розчин цукру в воді – дисперсна система, вода – дисперсійне середовище, цукор – дисперсна фаза.

Залежно від розмірів частинок дисперсної фази системи поділяють на гомогенні та гетерогенні. Систему, в якій диспергована речовина не має поверхні поділу із дисперсійним середовищем, називають гомогенною (однорідною). До таких систем належать істинні розчини (молекулярно-йонні системи). Розміри молекул, йонів менші за 10^‒9 м, тобто співрозмірні з молекулами розчинника, тому такі системи є гомогенними, термодинамічно стійкими, і на них поняття дисперсності не поширюється.

Систему, в якій частинки диспергованої речовини мають розмір більший за 10^‒9 м і складають окрему фазу щодо дисперсійного середовища, називають гетерогенною. Саме гетерогенність (багатофазовість) є однією із характерних ознак дисперсних систем. Наявність міжфазової поверхні поділу спричинює особливу роль поверхневих явищ у дисперсних систем. Характерною особливістю дисперсних систем є наявність великої міжфазної поверхні, з якою повʼязані основні властивості таких систем. Саме властивості поверхонь, а не природа їх складових є визначаючими для дисперсних систем.

Для кількісної характеристики дисперсності (подрібненості) дисперсних систем використовується декілька характеристик. Одна з них ‒ питома поверхня S_пит (S_1,2) – міжфазна поверхня, що приходиться на одиницю об’єму або одиницю маси дисперсної фази.

Дисперсні системи широко розповсюджені як у неживій, так і у живій природі. Серед біологічних об’єктів знаходяться системи, які включають рідке дисперсійне середовище (воду) і дисперсну фазу (білки, полісахариди, ліпоїди тощо). Окрема клітина живого організму є гетерогенною системою, утвореною високомолекулярними і низькомолекулярними сполуками. Тканина - це гетерогенна система вищого порядку, де дисперсною фазою є клітини, а дисперсійним середовищем ‒ оточуюча їх рідина. До дисперсних систем відносяться кров, протоплазма, м’язові і нервові клітини, біологічні мембрани, волокна, гени, віруси.

Процеси, які відбуваються на межі поділу фаз у гетерогенних системах називаються поверхневими явищами. Їх розділяють на дві основні групи:

− явища, що пов’язані зі зміною форми поверхонь розділу (змочування, розтикання, капілярні, адгезія тощо);

– адсорбційні явища, в основі яких лежить зміна складу поверхневого шару.

У життєдіяльності організмів поверхневі явища мають велике значення, бо життя людини починається з дихання, яке відбувається за участю кисню. Він вбирається альвеолами легень, кількість яких досягає сотень мільйонів, а їх загальна поверхня становить ~ 90 м², що у 50 разів перевищує поверхню тіла людини. Далі кисень зв’язується гемоглобіном і переноситься червоними кров’яними тільцями ‒ еритроцитами, кількість яких у крові людини досягає 27 трильйонів, а поверхня становить приблизно 3200 м². Сумарна поверхня мембран усіх клітин організму людини досить велика і становить приблизно 15 тис. м², частка біомембран дорівнює 3/4 маси сухої клітини.

В організмі на поверхні поділу фаз відбуваються процеси обміну, синтезу, адсорбції, десорбції, ферментні реакції тощо, зумовлені його життєдіяльністю. Отже, дослідження фізико-хімії поверхневих явищ тісно пов’язане з вивченням цих важливих процесів у живих системах.

Розглянемо двофазну систему рідина − газ (повітря).

В обʼємі рідкої фази сили взаємодії для кожної молекули по всіх напрямках скомпенсовані та їх рівнодіюча дорівнює нулю (рис.1).

Рис. 1. Розподіл сил, діючих на молекули в дисперсних системі рідина − газ

Сили в поверхневому шарі нескомпенсовані, оскільки сумарні сили притягання в обʼємі рідини значно більше, ніж в і повітрі. Притяганням з боку молекул повітря можна нехтувати, а рівнодіюча сил для поверхневих молекул рідини напрямлена вниз перпендикулярно до її поверхні. Завдяки цьому поверхневі шари рідини різко відрізняються за фізико-хімічними характеристиками ‒ питомою енергією, густиною, вʼязкістю, електричною провідністю та ін. від властивостей фаз в глибині обʼєму. Відмінності повʼязані з певною орієнтацією молекул в поверхневих шарах і їх іншим енергетичним станом (наявністю надлишку поверхневої енергії) порівняно з молекулами в обʼємі.

Рівнодіюча сил для поверхневих молекул, віднесена до одиниці площі поверхні називається внутрішнім тиском рідини. Величина внутрішнього тиску рідин, особливо полярних, дуже велика ‒порядка 10⁸ Па. Наприклад, для води вона складає 14,810⁸ Па. Як правило, внутрішній тиск тим більший, чим вища полярність речовини.

Внутрішній тиск втягує молекули рідини з поверхні в глибину обʼєму, зменшуючи площу поверхні до мінімально можливої за даних умов.