01Физико-химия поверхностных явлений

Физико-химия
поверхностных явлений
План
Поверхностная
энергия
и
поверхностное натяжение
2. Классификация и характеристика
сорбционных процессов
3. Адсорбция
1.
Подготовила к.х.н., доц. Иванец Л.Н.
Коллоидная химия – наука о поверхностных явлениях и
дисперсных системах.
Поверхностные явления – совокупность явлений,
связанных с физическими особенностями границ раздела
между соприкасающимися фазами.
Дисперсные системы – гетерогенные системы, в которых
одна из фаз находится в дисперсном (раздробленном состоянии).
Дисперсная система
Дисперсная фаза
(раздробленная часть
дисперсной системы)
Дисперсионная среда
(непрерывная часть
дисперсной системы)
Еv
+
Es
KV
+
σS
Поверхностная
энергия
Енергия
объема
запас энергии частички Е
Удельная поверхностная
энергия
S
EV  K 
V
Самопроизвольные поверхностные
явления:
Слипание мелких частиц, капель или
пузырьков газа в агрегаты
Адгезия и когезия - слипание соответствии
разнородных и однородных тел
Гетерогенное образование зародышей новой фазы
(в микропорах - капиллярная конденсация)
Растекание жидкости по поверхности другой
жидкости
Приобретение каплями сферической формы
Межмолекулярные силы,
действующие на молекулу






Равновесным состояниям системы соответствует
минимальное значение ее потенциальной энергии.
Следовательно
свободная поверхность жидкости стремится
сократить свою площадь.
По этой причине свободная капля жидкости
принимает шарообразную форму.
Жидкость ведет себя так, как будто по касательной
к ее поверхности действуют силы, сокращающие
(стягивающие) эту поверхность.
Эти силы называются силами поверхностного
натяжения.
Капля жидкости в состоянии
невесомости принимает форму
сферы
Эта энергия пропорциональна поверхности жидкости S. Uпов ~ S =>
U ïîâ
 const
S
Отношение поверхностной энергии к площади поверхности
называется удельной поверхностной энергией и обозначают
греческой буквой (сигма):
U ïîâ
 
S
В СИ единицей удельной поверхностной энергии является 1 Дж/м2.
Поверхностной энергией обладают как жидкие, так и твердые
тела.
Особые условия, в которых находятся молекулы на поверхности
жидкости, характерны также и для поверхности твердых тел.
Энергетическое определение поверхностного
натяжения
Поверхностное натяжение (σ) – работа обратимого
изотермического процесса, затраченная на образование
единицы площади поверхности раздела фаз:
 W рав н 
  

ds

 p ,T
Силовое определение поверхностного натяжения
Поверхностное
натяжение
–
сила,
направленная
тангенциально (параллельно) к поверхности и приходящаяся на
единицу длины периметра, ограничивающего эту поверхность.
Физическая сущность – поверхностные молекулы стремятся
уйти вглубь конденсированной фазы, тем самым, сжимая
поверхность.
Термодинамическое определение поверхностного
натяжения
 G 
 U 
 H 
 A 
  


 


 s  p ,T ,ni  s  S ,V ,ni  s  S , p ,ni  s  T ,V ,ni
Поверхностное натяжение - частная производная
от любого термодинамического потенциала по площади
межфазной поверхности при постоянных соответствующих
параметрах.
Единицы измерения
Энергетическая – Дж/м2,
Для воды при 293 К:
силовая – Н/м.
 Н О  72 ,75  103 Дж/ м2  72 ,75  103 Н / м
2
СИ:
Дж/м2 = Н∙м/м2 =Н/м
Влияние различных факторов на величину
поверхностного натяжения
Химическая природа вещества
Вещество
ε
Гелий (ж)
σ, мДж/м2
Вещество
σ, мДж/м2
0,22
Ртуть
473,5
Диэтиловый эфир
4,3
17,2
*Железо (т)
3959
Этанол
24,2
21,6
*Вольфрам (т)
6814
Муравьиная к-та
34
36,3
*Алмаз
11400
Вода
81
71,96
Поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей,
имеющих слабые межмолекулярные связи, и больше у полярных
жидкостей.
Большим
поверхностным
натяжением
обладают
вещества,
имеющие межмолекулярные водородные связи, например вода.
Зависимость поверхносоного
натяжения от температуры
Схема прибора для определения
поверхностного натяжения
методом отрыва кольца
Pg

2 ( D  l )
Р – сила отрыва,
g = 9,8 м/с2,
D –внешний диаметр
кольца
l – толщина кольца
Определение поверхностного
натяжения методом
наибольшего давления
P
 0
P0
Р
–
давление,
необходимое
для
проскакивания
пузырьков воздуха
через жидкость
Сталагмометрический метод
определения поверхностного
натяжения
n0 
 0
n 0
n0, ρ0, σ0 – количество
капель, плотность и
поверхностное
натяжение воды,
n, ρ, σ – исследуемой
жидкости
Определения поверхностного
натяжения методом капиллярного
поднятия жидкости
1
  rhg
2


Fтг

Fжт + Fжг·cos
Будет ли жидкость растекаться по
поверхности твердого тела, вытесняя с
него газ, или, наоборот, соберется в каплю,
зависит от соотношения величин Fжг ,Fжт.,
Fтг
Смачивание (А) і несмачивание (Б)
твердого тела жидкостью
Газ
Газ
θ
Cos θ = 0÷1
А)
θ
Cos θ = -1÷0
Б)
Растекание жидкости
Правило Гаркинса - растекание одной жидкости по
поверхности другой происходит, если прилипание между двумя
жидкостями больше, чем сцепление молекул растекающейся
жидкости (WA > WK).
Коэффициент растекания φ = WА – WК,
φ >0 , растекание,
φ <0, растекание не происходит.
Способность к
растеканию зависит от когезии
наносимой жидкости.
Многие органические вещества растекаются по
поверхности воды, а вода, как правило, не растекается на
поверхности органических веществ.
Прибор для измерения угла
смачивания
Влияние мениска на
давление насыщенного пара
Форма капли
жидкости
Межмолекулярные и
межфазные взаимодействия
Когезия
Когезия – притяжение атомов или молекул внутри
отдельной
фазы,
обусловленное
межмолекулярными
и
межатомными взаимодействиями различной природы.
Работа когезии (Wк) - работа, затрачиваемая на разрыв
тела по сечению, равному единице площади.
WK  2
Анализ уравнения Юнга
 ТГ   ТЖ
cos  
 ЖГ
1. Если σТГ> σТЖ, то cos θ > 0, θ < 90° - смачивание.
Вода на стекле.
2. Если σТГ< σТЖ, то cos θ < 0, θ > 90° - несмачивание.
Вода на парафине или тефлоне.
Капиллярное поднятие (опускание) жидкости
При погружении капилляра в какую-либо жидкость, ее уровень
в капилляре меняется.
Смачивание (θ < 90°), образуется
вогнутый мениск, жидкость в
капилляре поднимается.
Жидкость поднимается тем выше
(h2 > h1), чем меньше радиус
капилляра (R2 < R1).
Капиллярное поднятие
жидкости
Несмачивание (θ > 90°),
образуется выпуклый мениск,
уровень жидкости в капилляре
опускается.
Жидкость опускается тем ниже
(R2 < R1), чем меньше радиус
капилляра (h2 > h1).
Капиллярная депрессия
жидкости
Капиллярным поднятием жидкостей
объясняется ряд известных процессов и явлений:
 поднятие грунтовых вод в почвах обеспечивает
существование растительного покрова Земли;
 пропитка бумаги и тканей – поднятие жидкости в
порах;
 водонепроницаемость тканей – ткани пропитывают
веществами, которые вода не смачивает – капиллярная
депрессия;
 питание растений (деревьев) – подъем воды из почвы
по волокнам древесины;
 процессы кровообращения в кровеносных сосудах.
Адгезия
Адгезия
–
взаимодействие
между
разнородными
конденсированными телами при их молекулярном контакте.
Причина
адгезии
–
молекулярное
притяжение
контактирующих веществ или их химическое взаимодействие.
Работа адгезии (WА) – работа, которую необходимо
совершить для разделения двух контактирующих фаз.
Уравнение Дюпре:
W А   21   31   23
Основные понятия
 Сорбент
– поглотитель
 Сорбтив (сорбат) – поглощаемое
вещество
 Сорбция – процесс поглощения одного
вещества другим
 Адсорбция – поглощение
поверхностью сорбента
 Абсорбция – поглощение всем
сорбентом
Схема установки для
определения адсорбции NH3
активированным углем