Поверхнева енергія і поверхневий натяг

ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА. АДСОРБЦІЯ НА МЕЖІ ПОДІЛУ ФАЗ. ХРОМАТОГРАФІЯ

Поверхневі явища, їх роль і класифікація

У гетерогенних системах на межі поділу фаз відбуваються особливі процеси, що супроводжуються так званими поверхневими явищами. Саме на поверхні поділу фаз відбуваються процеси обміну, синтезу, адсорбції, десорбції, фермен­тативні реакції тощо, які забезпечують життєдіяльність організмів.

Насамперед життя людини починається з дихання, яке відбувається за уча­стю кисню. Він вбирається альвеолами легень, кількість яких досягає сотень мільйонів, а їх загальна поверхня становить приблизно 90 м², що у 50 разів пе­ревищує поверхню тіла людини. Далі кисень зв'язується гемоглобіном і пере­носиться червоними кров'яними тільцями - еритроцитами, кількість яких у крові людини досягає 27 трильйонів, а поверхня становить близько 3200 м².

Сумарна поверхня мембран усіх клітин організму людини дуже велика і ста­новить приблизно 15 тис. м², частка біомембран дорівнює 3/4 маси сухої клі­тини.

Отже, дослідження фізико-хімії поверхневих явищ тісно пов'язане з вивчен­ням цих важливих процесів у живих системах.

Активоване вугілля завдяки величезній поверхні (1г вугілля має поверхню 1000 м²) виявляє високу адсорбційну здатність і застосовується у медичній практиці та промисловості для поглинання шкідливих газів, токсинів тощо.

Залежно від агрегатного стану контактуючих фаз поверхні поділу класифі­кують на:

• рухомі межі поділу: рідина-газ (Р-Г), рідина-рідина (Р-Р);

• нерухомі межі поділу: тверде тіло-газ (Т-Г), тверде тіло-рідина (Т-Р), тверде тіло-тверде тіло (Т-Т).

Далі розглянемо види і суть поверхневих процесів, що відбуваються на рухо­мих і нерухомих межах поділу фаз.

Поверхнева енергія і поверхневий натяг

Будь-яка гетерогенна система на межі поділу фаз має певний запас вільної поверхневої енергії. Який механізм її виникнення? Розглянемо посудину, в яку

налито рідину Влас­тивості молекул на поверхні по­ділу рідина-газ (повітря) від­різняються від властивостей молекул в об'ємі рідкої фази.

Молекули всередині рідини рівномірно притягуються з усіх боків такими самими за приро­дою молекулами, і силове поле міжмолекулярної взаємодії скомпенсоване (рівнодійна сил дорівнює нулю).

Якщо молекула рідини знаходиться на поверхні поділу фаз , сили міжмолекулярної взаємодії не зрівноважуються, оскільки інтенсивність взаємодії між молекулами рідини значно вища, ніж між молекулами рідини та газу; рівнодійна сил F не дорівнює нулю і напрямлена всередину рідкої фази. Це зумовлює втягування поверхне­вих молекул углиб рідини. Таким чином, молекули, розташовані на поверхні, мають певний надлишок енергії, який називають вільною поверхневою енергією G_s. Відношення надлишку вільної поверхневої енергії Гіббса до площі поверхні поділу фаз називають поверхневим натягом:

де G_s - вільна поверхнева енергія; S - площа поверхні поділу фаз; а - поверх­невий натяг. Його можна визначити як роботу при оборотному ізотермічному процесі, яку потрібно виконати для збільшення поверхні поділу фаз на 1 м². Ви­ражають в одиницях сили на одиницю довжини (Н/м) або величиною енергії на одиницю площі (Дж/м²).

Величину поверхневого натягу визначають експериментально кількома ме­тодами: капілярного підняття, максимального тиску бульбашок повітря (метод Ребіндера), сталагмометричним, відриву кільця, втягування пластинки (метод Вільгельмі) та ін.

Поверхневий натяг - характерна фізична константа будь-якої чистої рідини за сталої температури. Він тим більший, чим більші полярність молекул рідини і здатність їх утворювати водневі зв'язки. Порівняно з іншими рідинами, по­верхневий натяг води є найбільшим .

Згідно з другим законом термодинаміки , поверхнева енергія рі­дини прагне досягти мінімуму. У чистих рідинах такий стан забезпечується зменшенням площі поверхні S. Цим пояснюють кулясту форму крапель води, оскільки поверхня кулі мінімальна. Проте форма крапель у різних рідин різна. У ртуті, поверхневий натяг якої дуже великий (4851СГ³ Н/м), краплі мають форму ідеальної кулі. У води притягання молекул слабше, поверхневий натяг менший (72,75-Ю^-3 Н/м) і краплі мають овальну (витягнуту) форму. А спирт,

бензен, у яких поверхневий натяг ще менший, розтікаються по по­верхні у вигляді плівки.

Поверхневий натяг залежить від температури і для багатьох рідин лінійно зменшується з її підвищенням. Це пояснюють тим, що через прискорений рух послаблюються сили притягання молекул і за певної критичної температури (температура кипіння) поверхневий натяг дорівнюватиме нулю - зникне межа поділу, система стане гомогенною, рідина перейде у газуватий стан. Таку зако­номірність встановив ще Д. Менделєєв.

Поиск по сайту: