Краткий обзор поверхностных явлений

Наличие границы раздела фаз приводит к появлению в системе избыточной поверхностной энергии и, как следствие, термодинамической неустойчивости, что является причиной особых свойств поверхности и порождаемых ими поверхностных явлений.

Более устойчивым состоянием системы является состояние с меньшей энергией, поэтому дисперсная система будет стремиться к снижению поверхностной энергии.

" О поверхностной энергии см. в подпараграфе 1.2.1.

Повторим, что полная избыточная поверхностная энергия дисперсной системы G зависит от удельной поверхностной энергии, а и площади границы раздела фаз S: G = aS.

Снижение полной избыточной поверхностной энергии G может быть реализовано двумя основными путями:

• 1) уменьшением поверхности раздела фаз;
• 2) уменьшением удельной поверхностной энергии а.

В соответствии с этими путями все поверхностные явления в дисперсных системах можно разделить на две группы.

Первая группа — поверхностные явления как результат самопроизвольного уменьшения поверхности раздела фаз S (рис. 1.4):

• • образование сферической поверхности частицы, так как по сравнению с частицами другой формы они обладают минимальной поверхностью. Капли жидкости самопроизвольно принимают форму сферы в отсутствие силы тяжести или в эмульсиях, если плотности жидкостей дисперсной фазы и дисперсионной среды одинаковы;
• • образование идеально гладкой поверхности (на границе раздела «жидкость — газ»);
• • самопроизвольное укрупнение частиц дисперсной фазы. Слипание мелких частиц твердой дисперсной фазы в более крупные называют коагуляцией. Слияние мелких капель или пузырьков в жидкой дисперсионной среде называют коалесценцией;
• ?? Коагуляция обсуждается в гл. 4.
• • изотермическая перегонка — принудительное испарение мелких капель или частиц с образованием более крупных. В отличие от коагуляции или коалесценции при изотермической перегонке укрупнение частиц происходит не механическим слипанием, а через испарение.
• ?? Об изотермической перегонке см. в параграфе 6.5.

Рис. 1.4. Поверхностные явления как результат самопроизвольного уменьшения поверхности раздела фаз:

а — сферическая поверхность жидкости; б — образование идеально гладкой поверхности и слияние мелких капель жидкости Вторая группа — поверхностные явления как результат уменьшения удельной поверхностной энергии а в ходе процессов, протекающих на поверхности раздела фаз (рис. 1.5):

• • изменение концентрации вещества на границе раздела фаз (адсорбция);
• ?? Явлению адсорбции посвящена гл. 7.
• • определенная ориентация полярных молекул, ионов в поверхностном слое и, как результат, образование двойного электрического слоя и возникновение процессов, вызванных наличием электрического заряда (коагуляция золей электролитами, электрокинетические явления);
• ? ?Э лектрокинегические явления описаны в гл. 5.
• • межфазное взаимодействие между поверхностями фаз при их молекулярном контакте (адгезия, смачивание);
• • изменение профиля жидкости у твердой поверхности — образование мениска (капиллярные явления);
• ? ?Об адгезии, смачивании и капиллярных явлениях см. в гл. б.
• • тепловые эффекты, которые связаны с образованием новой поверхности раздела фаз или сопутствуют другим поверхностным явлениям.

Рис. 1.5. Поверхностные явления как результат уменьшения удельной поверхностной энергии:

а — схематическое изображение адсорбции; б — пример адгезии (склеивание); в — изменение профиля жидкости у твердой поверхности (образование мениска).

Вопросы практики

Разнообразные поверхностные явления учитываются и используются в различных областях деятельности человека.

Так, адгезия и смачивание играют определяющую роль при изготовлении и нанесении покрытий и красок, гидрофобизации материалов.

Адсорбция лежит в основе процессов очистки воздуха и жидкостей, а адсорбция белков и липидов — важнейшая стадия в функционировании клеточных мембран.

В природных и биологических процессах важную роль играют явления, связанные с существованием электрического заряда на границе раздела фаз: например, оседание капель дождя и перемещение облаков приводят к грозовым разрядам.

На передовой линии науки

Новые направления исследования поверхностных явлений и их использования связаны с развитием микроэлектроники, космонавтики, биотехнологии, мицеллярного катализа, с разработкой биомембран, биологически совместимых материалов и пр.

Резюме

Поверхностные явления — результат стремления системы к уменьшению избыточной поверхностной энергии.