ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Вещество в конденсированном состоянии обладает поверхностной энергией, обусловленной нескомпенсированностью силовых полей частиц на поверхности раздела фаз. Термин «поверхностная энергия» обычно используется применительно к границе раздела фаз газ − твердое тело. Для границы раздела жидкость – жидкость, жидкость – твердое тело применяют термин «межфазная энергия». Для границы раздела фаз жидкость – газ (пар) обычно используют термин «удельная (на 1 м²) поверхностная энергия», называемая поверхностным натяжением, которое равно работе образования единицы площади раздела фаз (Дж/м²). Обычно под поверхностной энергией понимается энергия Гиббса образования поверхности D G. Она равна произведению удельной поверхностной энергии σ на площадь поверхности раздела фаз S: D G = σ ·S.

Удельная поверхностная энергия определяется природой вещества. Чем выше энергия взаимодействия между частицами вещества, тем выше удельная поверхностная энергия.

Вследствие наличия поверхностной энергии на границе раздела фаз происходит накопление тех или иных частиц. Изменение концентрации вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией. Адсорбция – это разновидность сорбции, т.е. поглощение одного вещества другими веществами. Если вещество поглощается всем объемом другого, то происходит абсорбция, если вещество концентрируется на поверхности раздела фаз, то имеет место адсорбция. Вещество, способное поглощать, адсорбировать другое, называется адсорбентом, вещество, которое может адсорбироваться – адсорбтивом, а адсорбированное вещество адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.

По природе сил взаимодействия адсорбента с адсорбтивом различают адсорбцию физическую и химическую. Физическая адсорбция вызывается силами межмолекулярного взаимодействия (силами Ван-дер-Ваальса). Теплота физической адсорбции составляет 8, 3− 25, 1 кДж/моль. Процесс физической адсорбции протекает быстро, так как не требует активации молекул.

Химическая адсорбция осуществляется за счет химических сил межмолекулярного взаимодействия и называется хемосорбцией. Хемосорбция сопровождается взаимодействием адсорбента и адсорбтива и является практически необратимым процессом. Тепловой эффект хемосорбции сопоставим с тепловым эффектом химических реакций и достигает 500 КДж/моль. Примером хемосорбции является адсорбция кислорода поверхностью активированного угля. При нагревании системы поверхности удаляется не О₂ , а СО.

Величину адсорбции (Г) выражают количеством вещества-адсорбата (n) на единицу поверхности адсорбента (S) или массы адсорбента (m). Вычисляют по формулам

Г = или Г = .

Адсорбция может происходить на границе раздела: жидкость – газ; жидкость – жидкость; твердое тело − газ; твердое тело – раствор. Зависимость величины адсорбции от концентрации раствора устанавливает уравнение изотермы Гиббса, которое универсально с точки зрения термодинамики и применимо к границам раздела любых фаз:

Г = - × ,

где Г –- величина адсорбции, моль/кг или моль/м²;

С – концентрация раствора, моль/л;

R – газовая постоянная;

Т – абсолютная температура;

dd/dC – мера поверхностной активности адсорбтива, (Дж× л)/(м× моль). Знак производной dd/dC указывает на характер зависимости.

Адсорбция на границе твердое тело – раствор имеет сложный характер из-за физической неоднородности поверхности твердых тел. В процессе адсорбции участвует не только внешняя, но и внутренняя поверхность адсорбента. Кроме того, адсорбция из растворов на твердом адсорбенте осложняется наличием третьего компонента – среды, молекулы которой могут также адсорбироваться на его поверхности.

Адсорбцию растворов средних концентраций и газов средних давлений на твердой поверхности описывает эмпирическое уравнение Фрейндлиха. Применительно к адсорбции растворов на твердом адсорбенте уравнение Фрейндлиха имеет вид

Г = К × С ,

где К – константа, при С = 1 моль/л К = Г;

1/ a – константа (адсорбционный показатель), зависит от природы адсорбента и температуры. 1/ a = 0, 1− 1.

 

Более универсальной является теория межмолекулярной адсорбции Ленгмюра. Уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра выведено на основании теоретических предпосылок и справедливо для широкого интервала концентрации и разных границ раздела фаз (жидкость – газ; жидкость – жидкость; твёрдое – газ; твёрдое – жидкость). Изотерма адсорбции Ленгмюра выражается уравнением

Г = Г_{max ×} ,

где Г – величина адсорбции, моль/кг;

Г_max – величина предельной адсорбции, моль/кг;

С – концентрация раствора, моль/кг;

В – константа равновесия адсорбции.

 

Величина константы В зависит от природы адсорбента и адсорбтива. При низких концентрациях адсорбция растёт линейно с увеличением концентрации. При высоких концентрациях (С> > В) значением В в знаменателе можно пренебречь, тогда Г = Г_max. Это означает, что с увеличением концентрации адсорбция достигает предельного значения (Г_max).

Адсорбционные явления широко распространены в природе. Горные породы и почвы являются адсорбентами, по которым перемещаются водные и газовые растворы. Легочная ткань подобна адсорбенту-носителю, на котором удерживается гемоглобин крови, обеспечивающий перенос кислорода в организме. Многие функции биологических мембран живой клетки связаны со свойствами их поверхности. Общая площадь биологических мембран в организме человека достигает тысяч квадратных метров.

Вопросы для самоконтроля

 

1. Особенность поведения веществ на границе раздела фаз.

2. Что такое адсорбция? Виды адсорбции. Факторы, влияющие на процессы адсорбции.

3. Уравнение Гиббса, его анализ.

4. Изотерма адсорбции, типы изотерм адсорбции.

5. Поверхностно-активные вещества (ПАВ), особенности строения молекул.

6. Примеры применения ПАВ.

7. Изотерма адсорбции Фрейндлиха. Области применения адсорбции.

8. Изотерма адсорбции Фрейндлиха в логарифмических координатах.

9. Графическое изображение изотермы адсорбции Фрейдлиха и определение её констант.

10. Понятие об ионообменной адсорбции.

11. Адсорбционная способность почв, значение.

12. Значение сорбционных процессов в биологических системах.