новая папка 1 / все подряд / 1 вопрос химич
.docx1. Адсорбционные процессы и равновесия на подвижных границах раздела фаз.Поверхностная энергия Гиббса и поверхностное натяжение.
ПРИРОДА ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ
К поверхностным явлениям относят те эффекты и особенности поведения веществ, которые наблюдаются на поверхностях раздела фаз. Причиной поверхностных явлений служит особое состояние молекул в слоях жидкостей и твёрдых тел, непосредственно прилегающих к поверхностям раздела фаз.
Рассмотрим систему, состоящую из жидкости и газа. Силы межмолекулярного взаимодействия внутри жидкости F1,1больше сил взаимодействия между молекулами газа F2,2.
Если молекула А находится внутри жидкости, то на неё со всех сторон действуют силы взаимодействия таких же молекул. Эти силы уравновешивают друг друга.
Если же, например, молекула В находится на поверхности жидкости, т.е. на межфазной поверхности, то с одной стороны на неё действуют силы взаимодействия таких же молекул, а с другой – молекул газа. Поскольку силы F1,1 ›F2,2, возникает результирующая сила Р, направленная в глубь жидкости. Эта сила вталкивает молекулу “В” в глубь жидкости. Эту силу часто называют ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ. Под внутренним давлением жидкости понимают силу притяжения между молекулами жидкости в её объёме. Для этой силы можно записать:
Р = F1,1 - F2,2
Чем сильнее различаются силы F1,1иF2,2 , тем больше Р. Величина внутреннего давления жидкостей, особенно полярных, очень велика, порядка 108Па.
Для создания единицы площади поверхности жидкости надо совершить работу, преодолеть силу внутреннего давления и совершить работу. Если увеличение площади поверхности производится при постоянных давлении и температуре (изобарно-изотермический процесс) или при постоянных давлении и температуре (изохорно-изотермический процесс), то такое увеличение площади поверхности сопровождается увеличением поверхностной энергии системы (энергии Гиббса).
Бесконечно малое изменение поверхностной энергии Гиббса с изменением величины поверхности при постоянных р и Т равно
dG=σdS
где dS– бесконечно малое изменение площади поверхности; σ – коэффициент поверхностного натяжения.
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ (σ) является важной характеристикой поверхности.Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящейся на 1 м2межфазной поверхности.
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ (σ) РАВНО ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ ОБРАТИМОЙ, ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ РАБОТЕ, КОТОРУЮ НАДО СОВЕРШИТЬ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ ПЛОЩАДЬ МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ЕДИНИЦУ
σ= - ∆А/∆S
∆А – это термодинамически обратимая работа, затраченная на образование поверхности площадью ∆S.
Поверхностные молекулы втягиваются внутрь жидкости или твёрдого тела, потому что испытывают большее притяжение со стороны молекул, находящихся в объёме конденсированной фазы, чем со стороны молекул газа по другую сторону поверхности. Это притяжение заставляет поверхность сокращаться, насколько это возможно, и приводит к возникновению некоторой силы в плоскости поверхности, называемой силой поверхностного натяжения.
Поэтому жидкие и твёрдые тела самопроизвольно приобретают минимальный возможный объём и практически не поддаются сжатию, а их растяжение и разрыв требуют значительных затрат энергии.
Энергия Гиббса
Эта энергия, придаваемая поверхностному слою и определяющая его устойчивость, представляет собой, согласно Дж. У. Гиббсу, так называемую свободную поверхностную энергиюGS, пропорциональную площади поверхности раздела фаз:
GS = sS
где s - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения. Физический смысл s - свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности раздела фаз или, иначе, работа обратимого изотермического образования единицы площади поверхности раздела фаз. Размерность СИ s - Дж/м2.
Поверхностное натяжение можно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности, и стремящуюся сократить поверхность до минимума при данном соотношении объёмов фаз. В этом случае размерность s удобнее выражать в Н/м.
Существованием поверхностного натяжения объясняются такие хорошо известные факты: капли воды не проникают сквозь мелкие отверстия и промежутки между нитями зонтовых или палаточных тканей; водяные пауки и насекомые могут бегать по поверхности воды, поддерживаемые невидимой поверхностной пленкой, капли дождя или тумана приобретают шарообразную форму и т. п.
При дроблении твёрдого или жидкого тела возрастает суммарная межфазная поверхность, благодаря чему всё бóльшая часть его молекул оказывается на поверхности, а доля молекул, находящихся в объёме, уменьшается. Поэтому, чем меньше частицы, тем бóльшая доля термодинамических функций, в том числе и энергии Гиббса частицы, принадлежит поверхностным молекулам.