Различные химические процессы, протекающие в гетерогенных системах, обычно начинают развиваться с поверхностей раздела фаз, перемещаясь затем далее, вглубь системы.
Условия существования молекул поверхностного слоя отличаются от тех, в которых находятся молекулы внутренних слоев. Поэтому свойства поверхности отличаются от свойств внутренних слоев вещества.
Особенности свойств поверхностных слоев вещества проявляются на любой поверхности раздела фаз, но
особенно сильно — в системе «жидкость — газ»,
слабее — на границе двух несмешивающихся жидкостей, а также в системе «твердое тело – жидкость»,
еще слабее — на границе раздела твердых тел.
Поверхностные молекулы испытывают силовое воздействие только от молекул, расположенных внутри тела, их поверхностные связи остаются не востребованы, и потому они активно ищут возможности для присоединения молекул из сопредельных контактирующих веществ.
Чем больше различие в параметрах граничащих веществ,
Тем в меньшей степени уравновешены силы взаимодействующих поверхностных молекул,
И тем больше активность поверхностных слоев веществ.
Проявление этих свойств есть результат наличия на поверхности раздела фаз определенной энергии — поверхностной энергии, или энергии поверхностного натяжения. видео
Величина поверхностного натяжения зависит не только от жидкости, но и от свойств сопредельной газовой среды, находящейся за поверхностью раздела, поскольку сопредельное вещество влияет на поверхностные молекулы жидкости.
Меняя пограничную среду, можно весьма сильно влиять на величину поверхностного натяжения жидкости. Вещества, способствующие уменьшению величины поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными, а вещества, слабо влияющие на поверхностное натяжение,— поверхностно-неактивными. Например, группа щелочных и щелочноземельных металлов и большинство солей, ими образуемых, относятся к поверхностно-активным веществам.
|
|
Поверхностно-активные вещества пользуются при пайке и сварке, стремясь добиться лучшей смачиваемости поверхности твердого металла жидким металлом и более легкого растворения капель электродного металла в сварочной ванне.
Величина поверхностного натяжения влияет на величину упругости (парциальное давление) паров и растворимость данного вещества.
Если жидкость имеет форму капли, то с уменьшением размера капель упругость паров над ними увеличивается. Это объясняется влиянием степени кривизны испаряющей поверхности:
на крупной капле силы поверхностного натяжения слабее (угол между силами близок к 180 °, на мелкой – силы больше (угол между силами меньше 180 °, и равнодействующая направлена в глубь. Отсюда следует, что малые капли всегда имеют меньшее давление пара, чем большие, но их испарение происходит быстрее, потому что у них больше удельная площадь поверхности.
Пример: мелкокапельное распыление увеличивает площадь испарения, что оказывает большее влияние, чем силы поверхностного натяжения: освежители воздуха в аэрозольной упаковке.
Существенное влияние на величину поверхностного натяжения оказывает изменение температуры. Повышение температуры приводит к снижению поверхностного натяжения, так как вследствие расширения вещества ослабляются силы притяжения между молекулами как внутри вещества, так и в его поверхностном слое.
|
|
При некоторой температуре поверхностное натяжение жидкости становится равным нулю и исчезает раздел между жидкой и газовой фазой. Эта температура названа температурой кипения, или критической температурой, выше которой вещество не может находиться в жидком состоянии.
Адсорбция.
Адсорбция - поглощение твёрдым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды. Адсорбция является проявлением поверхностной энергии на границе раздела фаз.
Природу явления адсорбции можно объяснить следующим образом. Молекулы или атомы вещества, расположенные на поверхности, обладают, в отличие от молекул и атомов, находящихся внутри вещества, свободными, не занятыми силами связи. Если у такой поверхности окажутся, допустим, атомы газа, то они могут удерживаться молекулами или атомами вещества, имеющими свободные силы связи, т. е. адсорбироваться. Если силы связи достаточно велики, адсорбированный атом останется у поверхности, если слабы — он может покинуть поверхность вещества.
Увеличение температуры, при которой протекает адсорбция, вследствие увеличения энергии тепловых колебаний адсорбированных частиц приводит к тому, что часть их возвращается в газовую среду и адсорбция уменьшается.
Понижение температуры, наоборот, вызывает возрастание адсорбции, пока на поверхности не образуется тонкий слой газа в несколько молекулярных слоев.
Аналогично на развитие адсорбции влияет и уменьшение давления: по мере снижения давления адсорбция уменьшается.