Значение современной коллоидной химии

Большую роль коллоидная химия играет в развитии учения о почве, ее плодородии, применении удобрений.

В геологии и геофизике. в методах исследования грунтов и минералов, разведке полезных ископаемых.

Стройматериалы (цементы, краски), их качество зависит от дисперсности.

Методы очистки природных и сточных вод.

Кожевенная, бумажная, текстильная, пищевая, фармацевтическая и парфюмерная отрасли промышленности, пластмассы, эластомеры и искусственные волокна.

Химическая технология: измельчение сырья, обогащение, флотация, сгущение и т.д. Явления смачивания, капиллярность, адсорбция, адгезия, пропитка, седиментация и коагуляция и др. рассматриваются в нашем курсе.

ЛЕКЦИЯ 2.

Поверхностные явления

Классификация поверхностных явлений

Как было уже отмечено, существует два основных признака коллоидного состояния: гетерогенность, как признак, указывающий на наличие межфазной поверхности (поверхностного слоя) и дисперсность, как мера раздробленности вещества. Дисперсность является количественным параметром, гетерогенность указывает на качественную характеристику объектов.

Различают межфазные поверхности между жидкостью и газом, жидкостью и твердым веществом, газом и твердым веществом. Поверхностный слой жидкости отличается большой подвижностью, процессы испарения и конденсации непрерывно обновляют его. Среднее время жизни, например молекул воды на поверхности ≈ 10^-7 с. Плотность граничного слоя непрерывно изменяется от плотности жидкой фазы до плотности ее насыщенного пара. Толщина поверхностного слоя жидкости составляет несколько молекул. Поверхность жидкости эквипотенциальна.

Поверхность твердых тел характеризуется практической неподвижностью атомов и молекул, ее составляющих, что обуславливает неизменность ее формы во времени. Поверхность твердых тел неэквипотенциальна, она изобилует деформациями кристалличекой решетки, микротрещинами, инородными включениями.

Объекты коллоидной химии можно охарактеризовать определенным видом энергии, которым они обладают. Поскольку гетерогенность предполагает наличие поверхностного напряжения, а дисперсность характеризуется площадью поверхности, то произведение этих величин дает поверхностную энергию: G_s = σ · S. Объекты коллоидной химии обладают избыточной свободной поверхностной энергией.

Фактором интенсивности поверхностной энергии является поверхностное натяжение σ, обусловленное нескомпенсированным полем межмолекулярных сил на межфазной поверхности. σ можно рассматривать как работу переноса молекул из объема тела на поверхность. Т.к. σ связано с работой, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей, то оно ими и обусловлено. Чем сильнее эти связи, тем больше σ на границе с газовой фазой. σ меньше у неполярных жидкостей и больше у полярных, оно больше у веществ, обладающих водородными связями. Из всех жидкостей вода обладает наибольшим поверхностным натяжением σ.

В СИ размерность σ [Дж/м²] или [н/м]. Часто пользуются [эрг/см²] или [дн/см]

1 Дж/м² = 1000 эрг/см²; σ H₂O₍₂₉₈₎ = 71,96·10^-3 Дж/м².

Из объединенного уравнения 1 и 2 начал термодинамики для гетерогенной системы:

следует, что σ есть частная производная по площади межфазной поверхности от любого термодинамического потенциала при постоянных соответствующих параметрах

Свободная избыточная поверхностная энергия дисперсной системы G_s может быть превращена в различные виды энергии:

1

2

3

4

5

1. – В энергию Гиббса; 2. – В теплоту; 3 – В механическую энергию; 4 – В химическую энергию; 5 – В электрическую энергию.

Каждое из этих превращений сопровождается возникновением определенного поверхностного явления.

1. Явление изменения реакционной способности в кинетике гетерогенного и каталитических процессов (рассматривается в курсе физической химии) при изменении поверхности, на которой протекает процесс.

2. Явление адгезии, смачивания и растекания.

3. Капиллярные явления.

4. Явление адсорбции.

5. Электроповерхностные явления, возникновение двойного электрического слоя.