13. Класифікація поверхневих явищ. Поверхнева енергія і поверхневий натяг. Адсорбція.
Між дисперсною фазою та дисперсійним середовищем існує поверхня поділу, на якій відбувається їхня взаємодія. В дисперсних системах ця поверхня є великою, тому число молекул на поверхні сумірне з числом молекул у глибині фази. Поверхневі молекули енергетично відрізняються від молекул, що знаходяться у глибині фази, тому в поверхневих шарах спостерігаємо різноманітні явища, що визначають особливі властивості дисперсних систем. Енергетична нерівнозначність глибинних і поверхневих молекул зумовлена тим, що силове поле глибинної молекули є компенсованим за рахунок взаємодії із сусідніми молекулами тієї ж фази, при цьому рівнодіюча сил взаємодії дорівнює нулю. Силове поле поверхневої молекули, яка знаходиться на межі фаз, що відрізняються за полярністю, не компенсується сусідніми молекулами повністю, при цьому рівнодіюча спрямована в середину фази перпендикулярно до поверхні та має кінцеву величину.
Рівнодіючу силу, віднесену до одиниці площі поверхні, називають внутрішнім тиском. Для води, наприклад, внутрішній тиск дорівнює 145×107 Па (14800 кг/см2). Силове поле поверхневої молекули та внутрішній тиск призводять до появи поверхневого натягу s – сили, яка діє на одиницю довжини контуру, що обмежує поверхню, по дотичній до поверхні і яка намагається її скоротити. Поверхневий натяг визначають також як роботу утворення одиниці поверхні в умовах ізотермічного оборотного процесу. Вимірюють s в Н/м або в Дж/м2. Для одиниці площі поверхні
,
тобто з точки зору термодинаміки поверхневий натяг – це вільна енергія одиниці площі поверхні.
Поверхневий натяг залежить від температури. Зі зростанням температури поверхневий натяг зменшується прямолінійно аж до критичної температури, при якій зникає різниця між фазами і поверхневий натяг стає рівним нулю.
Дисперсні системи мають дуже розвинені поверхні і підвищений запас вільної енергії, тому ці системи є здебільшого термодинамічно нестійкими. В них самочинно перебігають процеси, що призводять до зменшення вільної енергії. Це відбувається або за рахунок зменшення площі поверхні внаслідок самочинного злипання частинок дисперсної фази (коагуляція), або за рахунок зменшення поверхневого натягу, якщо на поверхні поділу фаз накопичуються поверхнево-активні речовини. При додаванні таких речовин у дисперсну систему відбувається їхнє самочинне накопичення в поверхневому шарі рідини, що призводить до різкого зниження поверхневого натягу. Такий процес є адсорбцією на рідкій поверхні.
Адсорбцією називають самочинний процес зміни концентрації речовин у гетерогенній системі на межі поділу фаз. Якщо концентрація на межі поділу фаз зростає, то адсорбція є позитивною, а якщо концентрація у поверхневому шарі зменшується, то адсорбція є негативною. Фазу, на якій перебігає адсорбція, називають адсорбентом, а речовину, яка адсорбується, – адсорбатом або адсорбтивом. Величина адсорбції має розмірність [кмоль/м2], [моль/м2], [кмоль/кг], [моль/кг].
За впливом на поверхневий натяг поверхні поділу фаз речовини поділяють на поверхнево-активні (ПАР) та поверхнево-інактивні (ПІАР).
ПАР – це речовини, які зменшують поверхневий натяг і зазвичай є дифільними молекулами R–OH, R–COOH, R–NH2, R–SO3H або їхніми іонізованими формами.
ПІАР (поверхнево-інактивні речовини) прагнуть перейти з поверхні рідини в об’єм, тому введення їх в розчин призводить до збільшення поверхневого натягу на міжфазній поверхні. До них належать речовини, що добре сольватуються, зокрема неорганічні солі, кислоти, основи.