3. Поверхностное натяжение и способы его определения

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости^[1].

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Коэффициент пропорциональности γ — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.

Билет № 13

1. Теория адсорбции Поляни

Поляни предложил рассматривать процесс адсорбции аналогично сжатию молекул адсорбтива в некотором поле адсорбционных сил вблизи поверхности адсорбента. Этот процесс протекает таким образом, что на поверхности адсорбента в результате сжатия адсорбтива в поле адсорбционных сил формируется жидкая пленка, т.е. происходит конденсация адсорбтива. Для упрощения Поляни допускал, что в поле адсорбционных сил газ подчиняется закону Клайперона-Менделеева. Это означает, что адсорбент химически инертный и адсорбция протекает только в результате физического взаимодействия между молекулами адсорбента и адсорбтива.

В этом случае можно было ввести количественную характеристику поля адсорбционных сил, а именно, адсорбционный потенциал e, равный работе сжатия одного моля газа или пара от равновесного давления Р в объеме до давления насыщения P_s. Этот потенциал можно также рассматривать как работу перемещения одного моля газа с бесконечно большого расстояния на поверхность адсорбента.

Из химической термодинамики известно, что работа сжатия идеального газа вплоть до его конденсации может быть описана уравнением

. (1.3.55)

Уравнение (1.3.55) является основным уравнением в теориях адсорбции на микропористых адсорбентах. Очевидно, что потенциал адсорбционных сил в трактовке Поляни является не чем иным, как дифференциальной свободной энергией адсорбции, т.е. e = - DG_а.

2. Коллоидно-химические основы охраны окружающей среды

Таким образом, даже при кратком рассмотрении экологических проблем гидросферы и охраны водного бассейна можно отметить их тесную связь с коллоидно-химическими процессами [2]:

– седиментация осадков естественного происхождения (минеральных и органических взвесей) и искусственных (производственные загрязнения различной химической природы, весьма разнообразной формы и размеров); следовательно, надо знать закономерности седиментации;

– коагуляция и флокуляция частиц или капель дисперсной фазы с целью их укрупнения и облегчения седиментации (поскольку речь идет окоагуляции, то возникает связь с нарушением агрегативной и кинетической устойчивости дисперсных систем и необходимо знать теорию стабилизации и коагуляции);

– удаление растворенных веществ осуществляется методом адсорбции на различных адсорбентах или пузырьках воздуха (здесь проявляется связь с теорией адсорбции из растворов на твердых адсорбентах и на поверхности раствора с воздухом или с другой жидкостью, а также с теорией и практикой эмульгирования, пенообразования и пенной сепарации).

При рассмотрении проблем защиты литосферы можно отметить связь со следующими коллоидно-химическими процессами:

– образовании коагуляционной структуры в почвах с целью снижения содержания тонкодисперсной фракции (менее 0,05-0,1 мм); при этом проявляются все закономерности структурообразования в дисперсных системах;

– создании антифильтрационных дамб из структурированных солеустойчивых глинистых систем с добавками водорастворимых адсорбированныхполимеров для предотвращения заболачивания почвы вдоль оросительных каналов и полей вблизи прудов-испарителей сточной воды [4];

– укреплении прочности структуры грунта при бурении скважин с целью предотвращения проникновения (фильтрации) воды из водоносных горизонтов в нефтеносные;

– снижении прочности структуры и накопления внутренних напряжений при наложении механических полей на пласты угля и пустой породы при подземных разработках полезных ископаемых.

При рассмотрении проблем охраны атмосферы от загрязнений встречаем следующие коллоидно-химичесие процессы:

1) конденсационное формирование частиц твердой (дымы, аэрозоли) и жидкой дисперсной фазы (туманы, капли жидкости) и совместного формирования частиц, насыщенных жидкой фазой (смог);

2) агрегативную и кинетическую устойчивость аэродисперсных систем (осаждение облаков дисперсиями галогенидов серебра или твердойуглекислоты, частые дожди в загрязненной атмосфере больших городов, очистка отходящих газов от твердых частиц методом нарушения устойчивости при электрокоагуляции);

3) диспергационные загрязнения атмосферы твердыми загрязнениями ( пыльные бури, эрозия почвы);

4) коллоидные свойства твердых и жидких загрязнителей атмосферы – аэрозолей (диффузия, броуновское движение, светорассеяние в аэродисперсных системах, загрязняющих атмосферу); особая опасность коллоидно-дисперсных аэрозолей - взрывоопасность аэрозолей (муки,сахара, угля и др.); высокая кинетическая устойчивость аэрозоля ртути способствует длительному времени сохранения способности отравлять людей;

5) пылеподавление на угольных шахтах и предприятиях, перерабатывающих минеральное сырье – избирательное смачивание, регулируемое с помощью поверхностно-активных веществ;

6) снижение токсичности выхлопных газов – каталитическое дожигание загрязняющих остатков топлива на специальных катализаторах, процесс связанный с адсорбцией и кинетикой геторогенных процессов на специальных катализаторах;

7) Образование окислов азота и серы при сжигании различных видов топлива приводит к возникновению кислотных дождей (для снижения вероятности образования таких осадков, оказывающих вредное влияние на биосферу, в первую очередь на растительный мир, проводят очистку отходящих газов от оксидов серы и азота сорбционными методами).

Защита органов дыхания людей от попадания вредных веществ проводится с помощью приборов, действие которых основано на адсорбциигазообразных веществ на специальным образом подобранном адсорбенте, в качестве которого часто используют активированный уголь. Типичным представителем таких приборов является противогаз. Для защиты от пыли используют респираторы, которые фильтруют загрязненный воздух, удаляя пылевидные загрязнения в результате гетероадагуляции частиц на волокнах.