Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория поверхностных явлений. Учебное пособие
.pdf
№ 4470
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС
ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Кафедра физической химии
Е.А. Новикова
А.А. Новиков
ТЕОРИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ
ЯВЛЕНИЙ
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2024
УДК 538.9:620.3
Н73
Рецензент
д-р хим. наук, профессор, кафедра металлургии стали,
новых производственных технологий
и защиты металлов НИТУ МИСИС А. Г. Ракоч
Новикова, Елена Александровна.
Н73 Теория поверхностных явлений : учеб. пособие /
Е.А. Новикова, А.А. Новиков. – Москва : Издательский Дом НИТУ МИСИС, 2024. – 126 с.
ISBN 978-5-907833-00-5
В учебном пособии рассматриваются основные закономерности адсорбции на твердом адсорбенте и на границе «раствор –
воздух», дано определение постоянных адсорбции, приведены
примеры решения задач, связанных с поведением гетерогенных
систем, при различных типах адсорбции. Приведено описание
адгезии и когезии.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся
по направлениям подготовки 22.03.01 Материаловедение и технологии материалов, 28.03.03 Наноматериалы, 03.03.02 Физика.
ISBN 978-5-907833-00-5
УДК 538.9:620.3
Новикова Е.А.,
Новиков А.А., 2024
НИТУ МИСИС, 2024
СОДЕРЖАНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1. Классификации структур
в высокодисперсных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.1. Основные свойства дисперсных систем . . . . . . . . . . . . 7
1.2. Поверхностная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3. Типовые задачи с решением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4. Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . 14
2. Адсорбция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1. Изобара и изотермы адсорбции . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2. Типовые задачи с решением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3. Теория адсорбции Генри . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4. Изотерма адсорбции Фрейндлиха и Бедекера . . . . . . 23
2.5. Теория Ленгмюра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6. Типовые задачи с решением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7. Полимолекулярная адсорбция.
Теория Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) . . . . . . . . . . 32
2.8. Типовые задачи с решением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.9. Потенциальная теория адсорбции
(потенциальная теория Поляни) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.10. Типовые задачи с решением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3. Адсорбция на границе
«раствор – воздух» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
3.1. Поверхностное натяжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2. Типовые задачи с решением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3. Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . 52
3.4. Связь уравнений Ленгмюра,
Гиббса и Шишковского . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5. Типовые задачи с решением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4. Адгезия. Когезия. Смачивание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
4.1. Межфазные взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3
4.2. Типовые задачи с решением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3. Влияние дисперсности
на растворимость вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4. Типовые задачи с решением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5. Задачи для самостоятельного решения . . . . . . . . . . . 81
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
Домашнее задание 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
Домашнее задание 2
Индивидуальные задания (задача 3.4) . . . . . . . . . . . . . . . .121
Приложение 1. Плотность жидкостей
в интервале температур 0–60 С . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Приложение 2. Температуры возгонки или кипения
некоторых веществ при давлении ниже атмосферного
или равном ему . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4
ВВЕДЕНИЕ
Теория поверхностных явлений – наука о дисперсных
системах, поверхностных явлениях в дисперсных системах,
физических, химических и механических свойствах дисперсных систем.
Основные разделы теории поверхностных явлений в дисперсных системах;
– адсорбция;
– когезия, адгезия, смачивание.
Дисперсные системы – разнообразные системы (неорганические, органические, полимерные, белковые), в которых
хотя бы одно из веществ находится в виде частиц размером
примерно от 1 нм до 10 мкм. Частицы таких размеров называют дисперсными (от лат. dispergo – рассеивать, распылять)
или дисперсной фазой.
Дисперсные частицы могут находиться в любом агрегатном состоянии: твердом (микрокристаллы, волокна), жидком (капли в туманах и эмульсиях), газообразном (пузыри
в пенах). Физические и химические свойства дисперсных частиц значительно отличаются от аналогичных свойств крупных объектов одного и того же вещества. Различаются прочность, теплоемкость, температура плавления, магнитные и
электрические характеристики, реакционная способность.
Эти различия называют размерными (или масштабными)
эффектами. Большая удельная поверхность дисперсных частиц способствует протеканию адсорбции.
Явление адсорбции было открыто более 200 лет назад,
в 1773 г.
Фонтана Феличе во Франции наблюдал поглощение газов
углем, а в 1785 г. Ловитц Товий Егорович в России обнаружил поглощение углем органических веществ из растворов.
Классические экспериментальные исследования адсорбции
были проведены русским ученым Андреем Александровичем
Титовым. Только с начала прошлого века, со времени блестящих работ американского ученого Ирвинга Ленгмюра,
5
начинает создаваться теория этого явления. Однако первые
обобщения носили описательный характер.
Технические приложения адсорбции в настоящее время
многообразны. Очень широко распространено использование адсорбции для процессов очистки. Еще в древнее время уголь применяли для очистки вина. В Первую мировую
вой ну Николай Дмитриевич Зелинский предложил использовать поглощение газов углем для защиты солдат русской
армии от отравляющих веществ, примененных на фронте
немцами. В настоящее время противогаз настолько усовершенствован, что практически полностью защищает от всех
известных отравляющих веществ. В мирной жизни он используется для защиты человека на вредных химических
производствах.
Разделение веществ на основе их различной адсорбируемости широко используется в настоящее время как
в промышленности, так и для аналитических целей. Осушка газов происходит за счет адсорбции воды из потока газа,
молекулы которого практически не адсорбируются при комнатной температуре. Для этого используются силикагели,
оксид алюминия, цеолиты. Технические масла, в частности
трансформаторное, осветляются с помощью древесного угля
или отбеливающей глины. Сахарный сироп на сахарных заводах также осветляется углем. В том и в другом случае происходит адсорбция примесей.
6
1. КЛАССИФИКАЦИИ СТРУКТУР
В ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
1.1. Основные свойства дисперсных систем
Рассмотрим примеры дисперсных систем.
Дисперсные частицы Размер частиц, нм
Коллоидные металлы (золото, платина, серебро) 3–50
Дым 30–40
Вирусы 10–20
Капли в микроэмульсиях 5–20
Взвеси в воде 10–100
Эритроциты крови 5000–10 000
Дисперсные системы – микрогетерогенные системы, различия особенно характерны для частиц нанометровых размеров (наночастиц), состоят из двух фаз: дисперсной фазы и
дисперсионной среды – сплошной (непрерывной) фазы, в которой распределены дисперсные частицы.
Дисперсионная среда, как и дисперсная фаза, может находиться в любом агрегатном состоянии: твердом, жидком
или газообразном.
КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Признак классификации Название системы
Размер частиц дисперсной фазы:
1–10 нм
10 нм – 1 мкм
1–100 мкм
Фракционный состав частиц:
одинакового размера
разного размера
Концентрация частиц
дисперсной фазы:
малая
большая
7
Ультрадисперсная
Высокодисперсная
Грубодисперсная
Монодисперсная
Полидисперсная
Свободнодисперсная
Связнодисперсная
Признак классификации Название системы
Взаимодействие дисперсных частиц
с дисперсионной средой:
слабое
сильное
Характер распределения фаз:
сплошное
сетка тонких прослоек
Лиофобная
Лиофильная
Континуальная
Биконтинуальная
На свойства дисперсных частиц влияет соотношение между длиной (l), шириной (h) и толщиной (d) частицы. По этому
признаку частицы классифицируют на три группы.
1. Объемные (трехмерные) частицы: все три размера (h,
l, d) примерно одинаковы и находятся в дисперсном (от 1 нм
до 10 мкм) интервале.
2. Поверхностные (двухмерные) частицы: дисперсному
интервалу отвечает только один размер (толщина d), а два
других размера (длина l и ширина h) значительно больше и
могут иметь макроскопические значения.
3. Линейные (одномерные) частицы: очень тонкие нити,
волокна; интервалу дисперсных размеров отвечает поперечный размер.
Фазовые частицы находятся в трех агрегатных состояниях: твердые частицы (микрокристаллы), жидкие капли или
тонкие пленки, газовые пузыри. Псевдофазовые (коллоидные) частицы имеют строение, которое нельзя отнести к одному из трех агрегатных состояний. Пример псевдофазовых
дисперсных частиц – агрегаты, состоящие из нескольких
десятков молекул поверхностно-активных веществ; такие
агрегаты называют мицеллами или они состоят из небольшого числа наночастиц.
Если дисперсные частицы сильно вытянуты (т.е. имеют
анизодиаметричную форму), то переход от свободнодисперсной к связнодисперсной системе происходит при весьма низкой концентрации частиц. Образование связной сетки дисперсных частиц приводит к изменению большинства свойств
8
дисперсной системы. Концентрацию частиц, при которой образуется связная сетка, называют порогом перколяции.
Дисперсные частицы классифицируют по размеру:
– макроскопические (размер 5 · 10
–2
см) видны невоору-
женным глазом;
– микроскопические (размер 5 · 10
–2
– 10–5 см) видны под
микроскопом;
– коллоидные системы (размер 10–5 – 10–7 см).
Основные свойства дисперсных систем – это дисперсность и удельная поверхность. Дисперсность (D) – величина, обратная среднему размеру частиц (a) дисперсной фазы
–1
D = 1/a, м
ность (S
; удельная поверхность – это межфазная поверх-
), приходящаяся на единицу объема дисперсной
1,2
фазы (V) или ее массы (m):
v
= S
S
S
уд
m
= S
уд
/V, м–1; (1.1)
1,2
/m, м2/кг. (1.2)
1,2
Рассмотрим, как определяется удельная поверхность,
если система состоит из n частиц:
v
= S
m
S
где V
S
уд
уд
ДФ
= S
n/m
част
– объем дисперсной фазы;
1,2
част
/V = S
n = S
част
част
n/(V
/(V
n) = S
част
част част)
част/Vчаст
= S
1–2
;
/ (VДФ ДФ),
ДФ – плотность дисперсной фазы.
v
Для кубической частицы S
Если частица сферическая, то S
= 6l2/l3 = 6/l = 6D.
д
v
= d2/(1/6d3) = 6/d =
уд
= 6D.
В общем виде
v
S
= kD, (1.3)
уд
где k – коэффициент формы;
m
S
= k · D/. (1.4)
уд
Коэффициенты формы для сферических, кубических частиц k = 6, для пленок k = 2, для волокон k = 4. С увеличени-
9
ем дисперсности или уменьшением размера частиц возрастает удельная поверхность.
Кривизна поверхности Н – производная площади поверхности по ее объему:
H = 1/2 · dS/dV. (1.5)
Для сферической частицы радиусом r:
dS/dV= 2/r, (1.6)
H = 1/r. (1.7)
Для нити цилиндрической формы длиной l:
dS/dV = 1/r; (1.8)
H = 1/2r. (1.9)
1.2. Поверхностная энергия
Поверхностная энергия, а также свободная поверхностная энергия, поверхностная энергия Гиббса – термодинамическая функция, характеризующая энергию межмолекулярного взаимодействия частиц на поверхности раздела
фаз с частицами каждой из контактирующих фаз. Количественно определяет разрушение межмолекулярных связей,
которое происходит при создании поверхности. В физике
твердых тел поверхности должны быть менее энергетически выгодными, чем основная масса материала (молекулы
на поверхности обладают большей энергией по сравнению
с молекулами в основной массе материала), иначе возникнет движущая сила для создания поверхностей, удаляющая
основную часть материала. Таким образом, поверхностная
энергия может быть определена как избыточная энергия
на поверхности материала по сравнению с массой, или это
работа, необходимая для создания области определенной поверхности. Другой способ увидеть поверхностную энергию –
связать ее с работой, необходимой для вырезания объемного
образца, с созданием двух поверхностей. Существует избы-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]