1. Классификация поверхностных явлений и дисперсных систем

1.1. Классификация поверхностных явлений

Поверхностные явления возникают на границе раздела фаз, потому что вблизи поверхности раздела молекулы вещества окружены другими его молекулами неравномерно и взаимодействуют не только друг с другом, но и с молекулами смежной фазы. Это приводит к возникновению на границе раздела многочисленных поверхностных явлений. Их можно разделить на физические и физико-химические.

Рассмотрим некоторые из них.

Пропустим через сосуд с активированным (активным) углём воздух, содержащий пары ацетона. В выходящем из сосуда газе концентрация ацетона заметно понизится (рис. 1.1). Понижение концентрации ацетона в данном случае связано с тем, что молекулы ацетона удерживаются на поверхности угля. Если этот процесс вести достаточно долго, то вся активная поверхность угля заполнится ацетоном и поглощение его прекратится.

Т акое же явление можно наблюдать и при контакте растворов различных ве­ществ с активным углём. Например, если в раствор уксусной кислоты насыпать активный уголь и тщательно перемешивать содержимое колбы в течение 30 мин., то молекулы уксусной кислоты поглотятся углём и концентрация её в растворе понизится до равновесного значения.

Концентрирование вещества (адсорбата) из объёма газообразной или жидкой фазы на поверхности раздела фаз называется адсорбцией.

Адсорбция может протекать на поверхности твёрдого тела (адсорбента) или в его порах.

Если процесс адсорбции сопровождается химическим взаимодействием адсорбата с адсорбентом, то его называют хемосорбцией.

Хемосорбция часто встречается в каталитических процессах. На поверхности железного катализатора, промотированного оксидами алюминия, кальция, калия и кремния, происходят следующие адсорбционные и десорбционные процессы: адсорбция водорода, сопровождаемая передачей электрона с водорода на катализатор; активированная адсорбция азота поверхностью катализатора; приём электронов поверхностным соединением азота с катализатором; перегруппировка поверхностных соединений азота с водородом (NH  NH₂  NH₃); десорбция аммиака с поверхности катализатора.

Наиболее медленной стадией процесса является стадия образования поверхностных соединений азота с катализатором в ходе активированной адсорбции.

Н а границе раздела фаз “газ — жидкость” (Г — Ж) межмолекулярные силы нескомпенсированы (рис. 1.2). Возникает поверхностная энергия (избыток энергии в поверхностном слое на границе раздела двух фаз по сравнению с энергиями внутри контактирующих фаз). Избыточная энергия вызывает поверхностное натяжение жидкости.

Поверхностное натяжение равно работе обратимого изотермического образования единицы новой площади поверхности раздела фаз.

Если в жидкой или газообразной фазе появится вещество способное снизить поверхностное натяжение, то его называют поверхностно-активным.

При соприкосновении разнородных твёрдых или жидких тел возникает их сцепление (адгезия) за счёт межмолекулярного взаимодействия или образования химических связей.

Взаимодействие жидкости с твёрдым телом (Т) на границе раздела трёх фаз Ж — Г — Т или Ж — Г — Ж сопровождается искривлением поверхности жидкости, пропитыванием пористых тел или растеканием жидкости по поверхности твёрдого или жидкого тела. Этот процесс называют смачиванием.

Смачивание определяется межмолекулярными силами. В некоторых случаях оно осложняется процессом диффузии молекул одной фазы в другую, при котором образуются твёрдые или жидкие растворы.

Следствием смачивания являются капиллярные явления: подъём жидкости в капиллярах и пористых телах и возникновение капиллярного давления, обусловленные искривлением поверхности жидкости вблизи стенки.

При контакте металла с раствором электролита поверхность металла приобретает положительный или отрицательный заряд, а противоположно заряженные ионы перемещаются к границе раздела фаз. Возникает двойной электрический слой.

Алгебраическую сумму скачков электрических потенциалов на всех межфазных границах (например, Cu | Fe | вакуум | рас­твор электролита) называют электродным потенциалом.

В измеряемую величину входит внутрифазный потенциал: разность потенциалов между центрами зарядов в узлах кристаллической решётки и центрами зарядов “валентных” электронов, обеспечивающих проводимость металла.

Встречаются также электрокапиллярные явления: изменение поверхностного натяжения и количества адсорбированного вещества на границе раздела “металл — раствор”, вызванное изменением электродного потенциала.

При трении твёрдого тела о другую поверхность (например, газ, шерсть и т.д.) на поверхности твёрдого тела накапливается электрический заряд, так называемое статическое электричество. Этот процесс носит название “электризация”.

К физическим явлениям можно также отнести рассеяние света коллоидной системой, в которой показатель преломления света частицами дисперсной фазы заметно отличается от показателя преломления света дисперсионной средой (опалесценция); слияние капелек жидкости или пузырьков газа при их соприкосновении (коалесценция); сцепление частиц дисперсной фазы, приводящее к образованию пространственного структурного каркаса, возникновению структурной вязкости и отверждению системы (структурообразование).

Степень и скорость коалесценции регулируют изменением температуры, введением электролитов, поверхностно-активных веществ, перемешиванием и центрифугированием.

Структурообразование жидких дисперсионных систем часто называют гелеобразованием.

Подробнее эти явления будут рассмотрены в последующих главах пособия.