§ 2. Фазаның жанасу шегіндегі бос энергия

Бір фазаның екінші фазамен жанасу шегінде аса күшті дамыған қабаты бар жүйелер үшін осы беттерде жүретін құ былыстардың мәні ерекше екенін білеміз. Ғылыми зерттеулер мен тәжірибелер көрсетіп отырғандай, олардың бәрі де берілген заттың табиғаты мен беткі қабаттың шамасына тәуелді.

Коллоидты ерітінділер жоғары дисперсті жүйедегі топқа жататындықтан, олардың дисперсті фаза құрамындағы бөлшектердің беткі қабатынан жинақталған үлкен беткі қабаты болады. Коллоидты жүйедегі бөлшектердің жинақталған беткі қабатының қосынды ауданы жайлы ұғымды нақтылы түсіну мақсатымен, бір текше сантиметр (1см³) қатты денені коллоидты өлшемге дейін ұсақтап, оның ауданын есептейді. Ұсақтағанда, осы бөлшектердің қосынды массасы мен көлемі өзгеріссіз қалып, беткі аудан қосындысы көбейеді. (2-кесте).

№2 – кесте Бөлшектердің қосынды массасы, көлемі және беткі аудан қосындылары.

Қабырға Ұзындығы, 1см	Кубик саны	Қосынды бет, см2	Үлесті бет, см-1	Қабырға ұзындығы,1см	Кубик саны	Қосынды бет, см2	Үлесті бет, см-1
1	1	6	6	1∙10-5	1∙1015	6∙105	6∙105
1∙10-1	1∙103	6∙101	6∙101	1∙10-6	1∙1018	6∙106
1∙10-2	1∙106	6∙102	1∙102	1∙10-7	1∙1021	6∙107	6∙106
1∙10-3	1∙109	6∙103	6∙103	1∙10-8	1∙1024	6∙108	6∙107
1∙10-4	1∙012	6∙104	–	–	-	–	6∙108

Жоғары дисперсті гетерогенді жйедегі беттің кереметтей үлкеюі ондағы беттік энергияның артуымен байланысты. Мысалы, берілген кез келген бөлшектің энергия қорының шамасы Е делік. Од шама масса энергиясы (немесе көлем энергиясы) Е_m мен беттік энергиядан Е_s тұрады:

E = E_m+E_s (10)

Масса немесе көлем энергиясы E_m=Km=KV тең, мұндағы m және V масса мен көлем, К– пропорционалдылық коэффициенті. Кейде беттік бос энергия деп айта беретін беттік энергия E_s интенсивтілік факторы болып есептелетін беттік керілу δ мен көлемдік (экстенсивті) фактор ретіндегі қосынды бет S шамалары көбейтіндісіне тең:

E_s = δS (11)

(11) теңдеуді былайша жазуға болады:

E = KV +δS (12)

Бұл теңдеудің екі жағын да көлемге (V) бөлсек, көлемнің бірлік өлшеміне тиесілі жалпы энергия қорын немесе беттік меншікті энергияны (E_v) өрнектейтін формула шығады:

E/V = E_v = KV/V + δS/V (13)

немесе E_v = K + δS/V (14)

Бұл теңдеуден егер бөлшек көлемі (V) үлкен болса, онда теңдеудегі екінші мүшенің мәні азаяды, оны ескермесе де болады, немесе дисперстілік дәрежесі жоғарылаған сайын бөлшек көлемі кішірейе түседі де бөлшек энергиясы негізінен беттік энергиямен байланысады.

Дисперсті фазаны онан әрі молекулаға немесе ионға дейін ұсақтаса, онда мұның салдарынан фазадағы жанасу шегі жоғалып, беткі қабат жойылады. Мұндайда (14) теңдеудің оң жағындағы екінші мүше мәні нөлге теңеледі. Сондықтан да коллоидты- дисперсиялық жүйелерде өте үлкен мәндегі беттік бос энергия болады. Өйткені олар тіпті аз концентрацияның өзінде де, мысалы, концентрациясы 0,001% болатын бір литр коллоидты ерітіндідегі бөлшектердің жанасу шегінің қосынды беті ондаған шаршы метрмен өлшенеді.

Термодинамиканың екінші заңына орай бос энергияның артық қоры болатын жүйелердегі процестер осы энергия қорын төмендету бағытында өздігінен жүре алады. Беттік энергия екі шаманың көбейтіндісі арқылы өрнектелгендіктен, беттің бірлік өлшеміне тисілі энергия қоры азайғанда беттік энергияда азаюы мүмкін. Коллоидты дисперсиялық бөлшектердің қосынды бетінің азаюы, бөлшектердің бірігіп, өздігінен үлкеюіне әкеледі, яғни ол коагуляцияланады. Сол сияқты беттік керілу күшінің азаюы дисперсті ортадағы атомдар мен молекулалардың беткі қабатқа тартылу салдарынан болуы мүмкін.