Классификация поверхностных явлений

Самопроизвольные процессы в дисперсных системах; G<0

Уменьшение поверхности раздела фаз (S<0;  = const)

Снижение поверхностного натяжения (<0; S = const)

Укрупнение частиц

Образование сферических частиц и идеально гладкой поверхности жидкости

Физико-химические процессы

Электрические процессы

Коагуляция

Коалесценция

Адсорбция

Адгезия

Образование ДЭС

Электрокинетические явления

Адсорбция – процесс самопроизвольного концентрирования вещества на поверхности раздела фаз (обогащение поверхностного слоя одним из компонентов раствора).

Адгезия (прилипание, сцепление) – взаимодействие частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз (т-т, ж-ж, т-ж).

Коагуляция – укрупнение частиц твердой дисперсной фазы.

Коалесценция – Слияние капель (или пузырьков) внутри подвижной дисперсионной среды (жидкости или газа) и образование частиц большего размера.

2.2 Поверхностное явление – адсорбция

2.2.1 Основные понятия и определения

Адсорбция – самопроизвольное концентрирование веществ по поверхности раздела фаз.

Адсорбция широко используется при очистке, сушке, разделении и концентрировании жидких и газовых сред. С помощью адсорбции производят очистку и осветление воды, которая в дальнейшем используется для питья.

Восприятие человеком запаха и вкуса зависит от адсорбции молекул соответствующих веществ в носовой полости.

На явлении адсорбции основана очистка воздуха в противогазах.

Фаза, на поверхности которой происходит адсорбция, называют адсорбентом.

Адсорбируемое вещество имеет два названия: если адсорбируемое вещество находится в объеме раствора – это адсорбтив, на поверхности адсорбента (в адсорбированном состоянии) – адсорбат.

Величину адсорбции обычно выражают двумя способами.

Абсолютная адсорбция А_i – количество вещества в поверхностном слое, приходящееся на единицу площади поверхности или единицу массы адсорбента

, моль/м² или моль/г

где – количество i-го компонента в поверхностном слое (адсорбата); S – площадь поверхностного слоя; m – масса адсорбента.

Избыточная, или гиббсовская, адсорбция Г_i – избыток i-го компонента в поверхностном слое по сравнению с его количеством в объеме фазы, приходящийся на единицу площади поверхности

, моль/м²

где – молярная концентрация i-го компонента в поверхностном слое и объеме фазы соответственно; V_s – объем поверхностного слоя; – количество i-го компонента в объеме фазы.

Если концентрация адсорбируемого вещества на поверхности значительно превышает его концентрацию в объеме, можно принять, что Г = А.

Процесс, обратный адсорбции (переход вещества из поверхностного слоя в объем фазы), называется десорбцией.

В зависимости от природы адсорбционных сил различают физическую и химическую (хемосорбцию) адсорбцию.

При физической адсорбции взаимодействие адсорбента и адсорбата осуществляется за счет сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей, а при хемосорбции – за счет образования химических связей.

Силы Ван-дер-Ваальса – физические силы межмолекулярного взаимодействия. Они зависят от строения взаимодействующих частиц и включают ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия.

Ориентационное, или диполь-дипольное, взаимодействие возникает между полярными частицами при взаимодействии дипольных моментов.

Потенциал ориентационного взаимодействия U_ор

,

где ₁, ₂ – дипольные моменты 1-й и 2-й молекул; k – постоянная Больцмана; T – температура; h – расстояние между молекулами.

Из уравнения следует, что энергия ориентационного притяжения прямо пропорциональна полярности реагирующих молекул и обратно пропорциональна температуре и расстоянию.

Индукционный тип взаимодействия возникает при сближении полярной и неполярной молекул. Под влиянием полярной молекулы у неполярной перераспределяется заряд и индуцируется дипольный момент. Энергия индукционного взаимодействия описывается уравнением

,

где ₁ – дипольный момент полярной молекулы; ₂ – поляризуемость неполярной молекулы (поляризуемость – способность электронных оболочек к деформации при воздействии электрического поля).

Индукционное взаимодействие не зависит от температуры.

Дисперсионное взаимодействие играет основную роль при взаимодействии неполярных молекул. В процессе движения электронного облака распределение зарядов становится несимметричным (т.е. возникают флуктуации электронного облака), в результате возникают мгновенные диполи, они являются причиной притяжения молекул.

Энергия дисперсионного взаимодействия

где ₁, ₂ – поляризуемость 1-й и 2-й молекул; I₁, I₂ – потенциал ионизации 1-й и 2-й молекул.

Итак, энергия межмолекулярного взаимодействия является результатом трех составляющих. Она зависит от расстояния, дипольного момента, поляризуемости и потенциала ионизации реагирующих молекул и слабо зависит от температуры.

В зависимости от агрегатного состояния смежных фаз различают адсорбцию на границе жидкость-газ, жидкость-жидкость, твердое тело-жидкость, твердое тело-газ.