Общая характеристика поверхностных явлений

Поверхностными явлениями называют явления, происходящие на границе раздела фаз и обусловленные особенностями состава и строения поверхностного слоя.

Поверхностный слой представляет собой промежуточную фазу толщиной в несколько молекулярных диаметров. Причина поверхностных явлений - это разное энергетическое состояние частиц на поверхности и в объеме фазы. Силы, действующие на молекулы, находящиеся внутри жидкости, одинаковы со всех сторон, и равнодействующая этих сил F_м равна нулю. Силы, действующие на молекулы поверхностного слоя со стороны жидкости и газа неодинаковы. Равнодействующая молекулярных сил F_м не равна нулю и направлена вглубь жидкости (см. рис.29.1).

Рис.29.1. Межмолекулярные силы, действующие на частицу на поверхности и внутри фазы.

Частицы на поверхности обладают избыточной энергией по сравнению с частицами внутри фазы. Общую свободную энергию G системы с развитой поверхностью раздела фаз (дисперсной системы) можно разделить на энергию Гиббса объемной фазы и поверхностную энергию Гиббса:

Энергия Гиббса объемной фазы пропорциональна ее массе, а, следовательно, объему:

Поверхностная энергия системы пропорциональна площади межфазной поверхности:

где s - поверхностное натяжение, Дж/м²

s – площадь поверхности м².

Поверхностное натяжение s есть энергия Гиббса, приходящейся на единицу площади поверхностного слоя. Увеличение поверхности при s=const требует совершения работы. Поверхностное натяжение численно равно работе, которую необходимо затратить для образования единицы поверхности раздела фаз.

Поверхностные явления протекают самопроизвольно вследствие уменьшения поверхностной энергии Гиббса системы. Они могут быть обусловлены либо уменьшением общей площади поверхности системы, либо уменьшением поверхностного натяжения.

,

где s_уд =s/V - удельная поверхность фаз.

При малых значениях s_уд можно пренебречь поверхностной энергией. При больших значениях s_уд необходимо учитывать поверхностную энергию. Живые организмы – системы с сильно развитыми поверхностями раздела фаз, к которым относятся кожные покровы, поверхности кровеносных сосудов, клеточные мембраны. Известно, что многие жизненно важные биохимические процессы в организме протекают на поверхности биологических мембран. Для понимания их механизма необходимо знание основных закономерностей поверхностных явлений.

Все поверхности раздела в зависимости от агрегатного состояния граничных фаз делят:

1) подвижные поверхности раздела: жидкость – газ, жидкость - жидкость;

2) неподвижные поверхности раздела: твердое тело – газ, твердое тело – жидкость.