Лекция 01 - Введение. Поверхностные явления

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
З начение ко лло идно й химии
Коллоидная химия –– это раздел физической химии, изучающий поверхностные явления и дисперсные системы.
Своеобразие свойств дисперсных коллоидных систем
обусловлено влиянием поверхности, размер которой в этих
системах настолько большой, что значительная доля всех
структурных элементов вещества (молекул, атомов или
ионов) оказывается на границе раздела фаз.
Наиболее ярко влияние поверхности на свойства
проявляется в наносистемах, объектах современных
нанотехнологий, в которых доля вещества, находящегося в
поверхностных слоях, исключительно велика и поэтому
именно поверхностные явления становятся доминирующими
и определяют характерные свойства этих систем.
Особое значение коллоидная химия имеет в развитии
фармации.
Во-первых, практически бóльшая
часть
лекарственных форм: таблетки, гранулы, порошки, пасты,
мази, суспензии, эмульсии, аэрозоли являются объектами
изучения коллоидной химии. Во-вторых, способы получения,
очистки и стабилизации лекарственных препаратов — это
получение, очистка и стабилизация дисперсных коллоидных
систем. В-третьих: изучение свойств лекарственных
препаратов, контроль их производства, выбор метода оценки
стабильности,
идентификация,
определение
чистоты
лекарственных препаратов в современной фармации имеют
коллоидно-химическую основу. Вопросы рациональной
повышения
эффективности
технологии,
хранения,
терапевтического действия лекарств также связаны с
уровнем и достижениями физической химии поверхностных
явлений и дисперсных систем.
1
ЛЕКЦИЯ № 1
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
1.1.
Те рм оди нами ка пове рх ност ных явле ний
Поверхностные явления протекают на границах раздела фаз и
обусловлены особыми свойствами поверхностных слоев.
Состояние молекул или атомов, находящихся в поверхностном слое,
иное, чем у молекул или атомов, находящихся в объеме фазы.
Из-за
нескомпенсированности
сил
межмолекулярного
взаимодействия со стороны воздуха энергия у молекул
поверхностного слоя выше, чем у молекул в объеме фазы.
Фаза I - водяной пар в воздухе
Граница
раздела
фаз
F=0
Фаза II - вода
F≠0
Суммарный избыток энергии молекул поверхности —свободная
поверхностная энергия Гиббса Gs.
Общая энергия системы G — сумма поверхностной энергии
Гиббса Gs и энергии Гиббса объемной фазы Gv:
G = Gs + Gv
Пусть имеется гомогенная фаза с площадью поверхности А,
тогда:
Gs = A hσ – TAsσ,
где hσ и sσ — энтальпия и энтропия единицы поверхности, а Ahσ и
Asσ — энтальпия (Hs) и энтропия (Ss) поверхности.
2
Общая энергия Гиббса системы:
G = Hv – TSv + Hs – TSs,
где Hs и Ss — избыточные значения термодинамических величин,
обусловленные наличием поверхностных слоев.
Поверхностная энтальпия Hs = Gs + TSs.
фактор незначителен, то Hs = Gs.
Если энтропийный
1.2. Пове рх ност ное натяже ние
Поверхностное натяжение (σ) — это работа, которую требуется
затратить для образования единицы поверхности (размерность
Дж/м2 ).
Поверхностное натяжение (σ) — это сила, действующая
тангенциально (по касательной) к поверхности, отнесенная к
единице длины контура, ограничивающего поверхность раздела фаз,
и препятствующая ее самопроизвольному увеличению (размерность
Н/м).
Поверхностное натяжение (σ) — это мера избытка энергии
поверхностной энергии, приходящегося на единицу площади
поверхности, который возникает за счет нескомпенсированности сил
межмолекулярных взаимодействий у молекул поверхностного слоя.
Зависимость поверхностного натяжения от различных факторов
От природы жидкости
От температуры
При
повышении температуры
силы
межмолекулярных
взаимодействий ослабевают и поверхностное натяжение уменьшается.
σ = σ0 – α(T–T0 )
При критической температуре исчезает поверхность раздела фаз
жидкость—пар, поверхностное натяжение становится равным 0.
3
От давления
При повышении давления увеличивается взаимодействие
поверхностных слоев жидкостей с молекулами газовой фазы и
уменьшается избыток энергии молекул на поверхности (сила F
становится меньше) –– поверхностное натяжение уменьшается.
Зависимость поверхностного натяжения водных растворов различных
веществ от их природы и концентрации
ПАВ
(поверхностно-активные
вещества) — вещества,
понижающие поверхностное натяжение водных растворов.
σПАВ ൏ σН2О
Неионогенные ПАВ — спирты, альдегиды, кетоны, сложные
эфиры.
Ионогенные ПАВ — органические кислоты, амины и их соли.
СН 3
СОО
СН3
NH3
+
ПИВ
(поверхностно-инактивные
вещества) — вещества,
повышающие поверхностное натяжение водных растворов. Сильные
неорганические электролиты — соли, кислоты, щелочи.
σПИВ ൐ σН2О
ПНВ (поверхностно-неактивные вещества) — вещества, не
изменяющие
поверхностное
натяжение
водных
растворов.
Многоатомные спирты, углеводы.
σПИВ ൎ σН2О
4