Поверхностное натяжение

Граница раздела фаз и её силовое поле

Молекулярные взаимодействия и особые свойства поверхностей раздела фаз

Лекция 2

Современное состояние коллоидной химии. Основные направления

1. Самоорганизация - самопроизвольное образование высокоорганических расщепленных структур.

2. Строение и свойства нанодисперсных частиц.

3. Д.С. с ультранизким поверхностным натяжением (до 10^-3мДж/м²) на границе Д.Ф. и Ф.С.(микроэмульсии).

4. Коллоидные системы в условиях частичной или полной невесомости.

5. Применение методов компьютерного моделирования в коллоидно-химических процессах.

6. Синтез и применение новых ПАВ, ВМС и белков.

7. Применение методов коллоидной химии в медицине (заменители крови, образование тромбов).

8. Применение методов коллоидной химии в охране среды и биотехнологиях.

9. Мицеллярный катализ.

Рассмотрим систему, состоящую из жидкости (фаза1) и газа (фаза2). Силы межмолекулярного взаимодействия в жидкости F_1-1 больше сил взаимодействия между молекулами газа F_2-2. Молекула А внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами. Силы взаимодействия при этом взаимно уравновешиваются. На молекулу В, находящейся на межфазной поверхности, с одной стороны действуют молекулы жидкости, а с другой стороны – молекулы газа. Поскольку F _1-1 > F _2-2 возникает результирующая сила Р (равнодействующая сил), направленная нормально к поверхности в сторону жидкой фазы. Эту силу часто называют внутренним давлением.

P= F_1-1 – F_2-2.

Внутреннее давление стремится втянуть молекулу в глубь фазы 1 (жидкости).

При образовании межфазной поверхности необходимо перевести часть молекул из объема жидкости на поверхность. Для этого надо совершить работу против внутреннего давления (межмолекулярных сил). Эта работа в изотермических условиях равна увеличению свободной поверхностной энергии.

Выводы об увеличении свободной энергии с ростом площади поверхности могут быть обобщены для любой границы раздела фаз. Таким образом, на границе раздела фаз имеется избыток (сгущение) свободной энергии.

Работа (W), совершаемая против внутреннего молекулярного давления, пропорциональна площади образующейся поверхности (S):

dW= -σdS,

где σ – коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение равно термодинамически обратимой, изотермической работе, которую надо совершить, чтобы увеличить площадь межфазной поверхности на единицу.

Размерность [Дж/м² ] или [Н/м] .

При равенстве нулю всех остальных немеханических видов работ

при V,T =const – dW_обр = dF (свободная энергия Гельмгольца).

при p, T = const – dW_обр =dG (свободная энергия Гиббса),

отсюда следует, что

при V,T = const σ = dF\dS

при p,T = const σ = dG\dS

Таким образом, поверхностное натяжение – это удельная свободная поверхностная энергия, то есть свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу межфазной поверхности.

Поверхностное натяжение характеризует интенсивность межмолекулярных сил в конденсированной фазе (F_{газ-газ} = 0).

Дата добавления: 2013-12-13