Лекция 2. Поверхностные явления

План лекции:

1. Природа поверхностной энергии.

2. Поверхностное натяжение.

3. Самопроизвольные процессы в поверхностном слое.

4. Адсорбция. Общие положения, классификация.

2.1. Природа поверхностной энергии

Дисперсные частицы и дисперсионная среда относят­ся к различным фазам. Система может состоять из разных фаз только в том случае, если межмолекулярные взаимодействия в граничных фазах различны.

Рис. 2.1. Схема возникновения

поверхностной энергии

В системе, состоящей из жидкости (фаза 1) и газа (фаза 2), и силы межмолекулярного взаимодействия в жидкости F_1-1 больше сил взаимодействия между молекулами газа F_2-2. Возникает вопрос: какие межмолекулярные взаимодействия реализуются на межфазной поверхности? Молекула А (рис. 2.1) внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами. Силы взаимодействия при этом взаимно уравновешиваются. На молекулу B, находящуюся на межфазной поверхности, с одной стороны действуют молекулы жидкости, а с дру­гой – молекулы газа. По­скольку F_1-1 > F_2-2, возника­ет результирующая сила Р, направленная в глубь жидко­сти. Эту силу часто называют внутренним давлением:

.

Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление. Внутреннее давление Р стремится втянуть молекулу в глубь фазы 1.

Чтобы образовать межфазную поверхность, необходи­мо перевести часть молекул из объема жидкости на по­верхность. Для этого надо совершить работу против внутреннего давления. Очевидно, чем оно больше, тем больше энергии требуется затратить. Эта энергия сосредоточивается в молекулах, находящихся на поверхности, и назы­вается поверхностной энергией.

2.2. Поверхностное натяжение

Наиболее важной характеристикой поверхности является поверхностное натяжение. Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящийся на единицу площади межфазной поверхности.

Поверхностное натяжение (σ) равно термодинамически обратимой, изотермической работе, которую надо совершить, чтобы увеличить площадь межфазной поверхности на единицу.

, или ,

где δA_обр – термодинамически обратимая работа, затра­ченная на образование поверхности площадью d < S_1,2, так как работа совершается над системой, то она является отрицательной:

,

где F – свободная энергия, т.е. энергия, за счет которой можно произвести работу.

Таким образом, поверхностное натяжение – это удельная свободная поверхностная энергия, т. е. свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу межфазной поверхности.

Поверхностное натяжение характеризует различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий граничащих фаз. Чем больше эти различия, тем больше σ. Для границы «конденсированная фаза (твердая или жидкая) – воздух» можно пренебречь межмолекулярными взаимодействиями в воздухе () и, значит, поверхностное натяжение характеризует интенсивность межмолекулярных сил в конденсированной фазе.

Поверхностное натяжение индивидуальных веществ на границе с газом понижается с повышением температуры: , причем температурный коэффициент имеет практически постоянное отрицательное значение вплоть до температур, близких к критической. При кри­тической температуре исчезает различие между граничащими фазами, и поверхностное натяжение становится равным нулю.