Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow КОЛОЇДНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА

Поверхнева енергія, поверхневий натяг

Термодинамічні співвідношення

Для будь-якої гетерогенної системи можна записати об'єднане рівняння 1 і 2 почав термодинаміки щодо будь-якого термодинамічного потенціалу:

де G вільна енергія Гіббса; F вільна енергія Гельмгольца; U - внутрішня енергія системи; S - ентропія; р, V і Т - тиск, об'єм і температура; а - поверхневий натяг; s - площа поверхні; - електричний потенціал; q - кількість електрики; //, - хімічний потенціал і п- - число молей / -го компонента.

Дисперсні системи, маючи сильно розвинену міжфазну поверхню, характеризуються великою поверхневою енергією. Наведені термодинамічні рівняння крім відомих з фізичної хімії доданків включають твір ods, що представляє надлишкову або поверхневу енергію G s , тобто загальна енергія дисперсної системи не є сумою енергій двох об'ємних фаз, а включає ще надлишкову вільну енергію, пропорційну площі поверхні розділу: G < , = crs. Індекс s передбачає віднесення розглянутої величини

до поверхні розділу фаз.

Для ізобарно-ізотермічних умов (Ар = О, ДГ = 0) при сталості кількості речовини ( dn- = 0) і кількості зарядів (dq = 0) з рівняння (2.1) отримаємо просте співвідношення dG = crds , звідки

Якщо сталості зазначених параметрів немає, то т

i ч р> п ., q

Точно так же для інших термодинамічних потенціалів:

Поверхневий натяг є приватною похідної будь-якого термодинамічної параметра по поверхні при відповідних умовах.

Розмірність поверхневого натягу [<т] = Дж / м 2 .

Вираз для повної питомої поверхневої енергії дисперсної системи U s має вигляд U s = + TS s . У цьому рівнянні присутні

вільна G s (енергія Гіббса) і пов'язана, ентропійна TS s складові поверхневої енергії.

Якщо G у - енергія, яка припадає на одиницю площі поверхні, то загальну вільну енергію Гіббса поверхні G можна представити твором G = G ^ s, яке після диференціювання дає співвідношення dG = G sds + sdG s , поділивши обидві частини останнього на ds , отримаємо

Ліва частина цього співвідношення є поверхневий натяг, тому

Для індивідуальних речовин термодинамічні потенціали одиниці поверхні не змінюються зі зміною площі, тому поверхневий натяг є в той же час питомої вільної енергією Гіббса поверхні: G s = cr. У розчинів поверхневий натяг і питома поверхнева енергія неоднакові.

Крім розглянутої термодинамічної трактування поверхневому натягу можна дати і інші характеристики - силову і енсргстіческую. Фізична сутність поверхневого натягу проявляється в тому, що поверхневі частинки (атоми або молекули) мають надлишкову енергією. На молекулу всередині рідини діють сили тяжіння з боку сусідніх молекул, тому в глибині рідини міжмолекулярні сили скомпенсовані і їх рівнодіюча Р дорівнює нулю (рис. 2.1).

Схема освіти поверхневого натягу

Мал. 2.1. Схема освіти поверхневого натягу

На поверхні молекула відчуває тяжіння тільки з боку рідини (взаємодією з молекулами газової фази можна знехтувати), тому рівнодіюча міжмолекулярних сил Р не дорівнює нулю і направлена всередину рідини. Це призводить до того, що поверхневі молекули втягуються в рідину, а на поверхні виникає сила, що діє по дотичній до межі поділу фаз. Вона утримує поверхневий шар молекул в розтягнутому стані, який нагадує пружну плівку, яка прагне скоротити свою поверхню. Ця сила, віднесена до одиниці довжини контуру, що обмежує дану поверхню, і називається поверхневий натяг а. У размерностях сили поверхневий натяг вимірюється в Н / м (1 Дж / м "= 1 Н / м).

Оскільки поверхневий натяг пов'язано з енергією розриву міжмолекулярних зв'язків, то воно ними і обумовлено. Чим сильніше взаємодія молекул в даному тілі, тим більше його поверхневий натяг (табл. 2.1).

Таким чином, поверхневий натяг є макроскопічної мірою прагнення поверхні розділу до скорочення і інтегральною характеристикою сил, що діють в поверхневому шарі.

Якщо розглядати зв'язок поверхневого натягу з поверхневою енергією, то необхідно говорити про надлишкової енергії молекул, що знаходяться на поверхні. При утворенні нової поверхні відбувається робота оборотного ізотермічного утворення одиниці поверхні для створення цієї надлишкової енергії. Для одиниці площі поверхні вона рівна питомій вільної поверхневої енергії G s , яка в системі СІ має розмірність Дж / м 2 .

Для твердих тіл інша справа, вимір поверхневого натягу твердих тіл представляє певні труднощі. У твердих тіл є кристалічна структура і здійснити оборотне зміна площі поверхні розділу фаз без зміни структури зазвичай не вдається, тому частіше розглядаються механічне напруження, механічна міцність; для аналізу процесів на поверхні розглядається енергія поверхні, пов'язана з будовою поверхневого шару і так далі.

Таблиця 2.1

Поверхневий натяг (питома поверхнева енергія) деяких речовин на кордоні з повітрям

речовина

Т, К

<7 , мДж / м 2

речовина

Т, К

<7, мДж / м 2

Г елій

3

0,22

АЬОз (ж)

2353

700

Азот (ж)

80

8,27

АЬОз (т)

2123

905

Аміак (ж)

283

24,25

NaCl (ж)

тисячі сімдесят-чотири

114

Г ЕКСАН

298

18,4

Na2SC> 4 (ж)

+1157

196

етанол

298

22,1

Платина (ж)

2275

1819

бензол

298

28,2

Свинець (ж)

623

442

сірковуглець

298

31,5

Срібло (ж)

1273

920

анілін

298

43,2

Срібло (т)

1023

1140

вода

298

71,9

алюміній

298

1909

лсд

270

120

вольфрам

298

6814

ртуть

298

473,5

алмаз

298

11400

 
<<   ЗМІСТ   >>