Поверхностные явления. Поверхностное натяжение и методы его определения

Классификация дисперсных систем

Дисперсные системы – это многофазные системы (напр., двухфазные), где одна из фаз является раздробленной (т. е. представлена более или менее крупными частицами) и распределена во второй (непрерывной) фазе.

Коллоидные частицы занимают промежуточное положение между атомами и реальными объектами.

Термин "коллоид" относится к любому веществу независимо от его химического состава, структуры, геометрической формы, агрегатного состояния, если, по крайней мере, один из его размеров менее 1 мкм, но более 1 нм. Это определение дано в традиционном понимании «коллоидно-дисперсных» систем, для которых характерно активное участие частиц в броуновском движении, с вытекающими отсюда молекулярно-кинетическими явлениями (диффузия, осмос). Рассматриваемый современной коллоидной химией диапазон размеров очень широк: от больших, чем простые молекулы, до видимых невооруженным глазом, т. е. от 10^-9 до 10^{-4 м.}

Классификация дисперсных систем

в зависимости от размера коллоидных частиц

Таблица 17.1

Класс систем	Размер частиц d	Дисперсность , м ^-1	Число атомов одной частице	Отдельные предствители
мкм	м
Грубодисперсные	Свыше 10	Свыше 10^-5	Ниже 10^5	>10^18	Сахар-песок, пены, грунт, крупа, капли дождя, гранулы лекарственных веществ.
Среднедисперсные	0,1-10	10^-^7-10^-^5	10^5-10^7	>10^9	Растворимый кофе, эритроциты крови, сахарная пудра, сажа.
Высокодисперсные	0,001-0,1	10^-9- 10^-7	10^7-10^9	10^9-10^3и менее	Сок растений, космическая пыль, рубиновые стекла, золи, наночастицы металлов.

Размеры частиц в значительной степени определяют свойства дисперсной системы в целом.

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсионной среды.

Выделяют восемь различных типов дисперсных систем:

а) системы Т/Ж – лиозоли (гидрозоли, дисперсионная среда - вода); органозоли (дисперсионная среда – органическая жидкость),

б) системы типа Ж₁/Ж ₂ – эмульсии (вода – нефть, вода – молоко),

в) системы типа Ж/Г и Т/Г – аэрозоли (облака и туманы атмосферы),

г) системы типа Т₁/Т₂ – минералы, сплавы,

д) системы типа Ж/Т и Г/Т – пористые и капиллярно-пористые твердые тела (влажные грунты, вещества вулканического происхождения, стекла, пемза и др.).

Классификация коллоидных систем по характеру взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды пригодна лишь для систем с жидкой дисперсионной средой. Под взаимодействием фаз дисперсных систем подразумевают процессы сольватации (гидратации), т.е. образование сольватных (гидратных) оболочек из молекул дисперсной среды вокруг частиц дисперсной фазы. Системы, в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с дисперсной средой называются лиофилъные (от греч. лиос – жидкость, фило – люблю). Если частицы дисперсной фазы состоят из вещества, слабо взаимодействующего со средой, системы являются лиофобными (от греч. фобо – ненавижу). В том случае, когда дисперсионной средой является вода, эти два класса можно называть соответственно гидрофильными и гидрофобными системами.

Классификация коллоидных систем по характеру взаимодействия

между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды

Таблица 17.2

Вид системы	Характер образования	Термодинамическая устойчивость к коагуляции	Представители
Лиофобные	Принудительное образование в результате диспергирования и конденсации	Термодинамически агрегативно неустойчивы	Золи, суспензии, эмульсии
Лиофильные	Самопроизвольное диспергирование	Термодинамически агрегативно устойчивы	Критические эмульсии, мицеллярные растворы ПАВ, растворы некоторых ВМС, (белков и др.)

В простейшем случае двухфазной однокомпонентной системы вода – водяной пар энергетическое состояние молекул воды различно.

Молекулы, находящиеся на поверхности раздела, испытывают действие межмолекулярных сил в большей степени со стороны жидкой фазы и почти не притягиваются к газообразной фазе из-за ее малой плотности. В газовой фазе молекулы воды удалены друг от друга на большие расстояния и силы Ван-дер-Ваальса здесь ничтожны.

Рис. 17.1 Межмолекулярное взаимодействие внутри жидкости и на поверхности раздела фаз.

Молекулы воды, находящиеся в глубине жидкости, испытывают равномерное воздействие со стороны соседних молекул. Следовательно, молекулы на границе раздела фаз вода-пар принадлежат обеим фазам, но испытывают большое воздействие со стороны жидкости. Поэтому каждая молекула на поверхности раздела фаз обладает большей энергией по сравнению с глубинными молекулами. Свободная избыточная энергия Е в поверхностном слое, отнесённая к 1 см² поверхности раздела фаз равна:

(17.1)

и называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение можно представить также как силу, действующую на единицу длины.

σ – это важнейшая константа, являющаяся следствием нескомпенсированности молекулярных сил на границе раздела фаз характеризует поверхностное натяжение жидкости (в т.ч. воды). Выражается в эрг/см², дин/см, Дж/м² или н/м.

Поверхностное натяжение жидкостей определяется различными методами: например, методом подсчета количества падающих капель по формуле (17.2), по методу наибольшего давления газовых пузырьков (метод
Ребиндера) по формуле (17.3) и др.

(17.2)

где – поверхностное натяжение воды, эрг/см²;

– поверхностное натяжение измеряемой жидкости;

– плотность воды;

– плотность измеряемой жидкости;

– количество падающих капель воды;

– количество падающих капель измеряемой жидкости.

(17.3)

где k – константа капилляра;

– поверхностное натяжение воды;

– поверхностное натяжение определяемой жидкости;

– высота столба жидкости в манометре для Н₂О;

h – высота водяного столба в манометре для определяемой жидкости.

Поверхностное натяжение, например, воды на границе раздела фаз: вода – водяной пар, вода – воздух, вода – азот, вода – бензол различно.
Поэтому сравнивать поверхностное натяжение различных веществ можно только в том случае, если эти вещества граничат, с одной и той же средой. Обычно его определяют на границе раздела вещество – воздух.

Свободная поверхностная энергия равна произведению поверхностного натяжения а на величину поверхности раздела фаз S и определяется уравнением:

где Ɛ – свободная поверхностная энергия, эрг;

σ – поверхностное натяжение, эрг/см²;

S – поверхность раздела фаз, см².

Увеличение поверхности раздела фаз всегда повышает свободную поверхностную энергию системы.

Согласно второму закону термодинамики, всякая свободная энергия стремится к минимуму. Этим стремлением объясняется шарообразная форма капли жидкости, самопроизвольное слияние капель жидкости при контакте, поднятие жидкости в капиллярах и др.

Стремление к уменьшению поверхности, обусловленное наличием избытка поверхностной энергии, имеет место и у твердых тел, однако значительные силы, проявляющиеся между частицами вещества в твердом агрегатном состоянии, препятствуют самопроизвольному уменьшению поверхности.

При S = const самопроизвольное уменьшение энергии Ɛ может быть достигнуто за счет уменьшения поверхностного натяжения:

.

Этот путь уменьшения Ɛ имеет большое значение для разрешения проблемы адсорбции.

Различают следующие виды сорбционных процессов:

Сорбция – это явление поглощения одним веществом других веществ.

Абсорбция – процесс, при котором поглощенное вещество распространяется по всему объему поглотителя.

Хемосорбция – процесс, при котором поглощенное вещество химически взаимодействует с поглотителем.

Наибольший интерес среди сорбционных процессов представляет адсорбция. Адсорбция – процесс, который происходит на поверхности раздела фаз и сопровождается концентрированием вещества на этой поверхности.

Адсорбция – процесс самопроизвольный, сопровождающийся уменьшением свободной поверхностной энергии за счет уменьшения поверхностного натяжения. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое вещество – адсорбтивом. Адсорбция может происходить на любой поверхности раздела фаз: жидкость – газ, твердое тело – газ, твердое тело – раствор, жидкость – жидкость.

Рис. 17.2 Изотерма адсорбции Гиббса Г– f (С_ПАВ)

Размерность адсорбции Г – моль/см², моль/г. Кривые зависимости величины адсорбции от равновесной концентрации или равновесного давления, построенные при t= const, называются изотермами адсорбции.

Дата добавления: 2014-01-07