Понятие о поверхностной энергии и поверхностном натяжении

Твердые тела и жидкости обладают поверхностями раздела с соседними фазами. Состояние молекул вещества в объеме фазы и в поверхностном слое не одинаково. Основное отличие состоит в том, что поверхностный слой молекул твердого тела или жидкости обладает избытком энергии Гиббса в сравнении с молекулами объемной фазы. Наличие поверхностной энергии Гиббса обусловлено неполной компенсированностью межмолекулярных сил притяжения у молекул поверхностного слоя вследствие их слабого взаимодействия с граничащей фазой.

Рассмотрим действие молекулярных сил на молекулу в глубине и на поверхности жидкости на примере двухфазной системы жидкость-воздух (рис.1)

Рис 1

Выделим молекулу А жидкости в объемной фазе и молекулу Б жидкости в поверхностном слое. Силы сцепления, действующие со стороны окружающих молекул на молекулу А, уравновешивают друг друга, их равнодействующая равна нулю. На молекулу Б, находящуюся на поверхности раздела жидкость-воздух, со стороны граничащих фаз действуют

силы разного значения, так как суммарные силы притяжения единицы объема жидкости много больше, чем единицы объема воздуха.

Равнодействующая Р сил у молекулы Б направлена вниз перпендикулярно поверхности жидкости. Под влиянием таких некомпенсированных сил находятся все молекулы поверхностного слоя жидкости.

Следовательно, потенциальная энергия молекул на поверхности раздела фаз выше, чем у молекул внутри фазы. Эти отличая в энергетическом состоянии всех молекул поверхностного слоя характеризуются свободной поверхностной энергией G_s.

Свободной поверхностной энергией называется термодинамическая функция, характеризующая энергия межмолекулярного взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз с частицами каждой из контактирующих фаз. Свободная поверхностная энергия зависит от количества частиц на поверхности раздела, а потому прямо пропорциональна площади раздела фаз и удельной энергии межфазного взаимодействия:

(1)

где σ – поверхностное натяжение или удельная свободная поверхностная энергия, которая характеризует энергию межфазного взаимодействия единицы площади поверхности раздела фаз; S-площадь поверхности раздела фаз.

Из уравнения (1) следует:

(2)

Поверхностное натяжение σ является важной характеристикой любой жидкости. Физический смысл поверхностного натяжения может иметь энергетическое и силовое выражение.

Согласно энергетическому выражению, поверхностное натяжение есть поверхностная энергия Гиббса единицы поверхности. В таком случае σ равна работе, затраченной на образование единицы поверхности. Энергетической единицей σ является .

Силовое определение поверхностного натяжения формулируется следующим образом: σ – это сила, действующая на поверхности по касательной к ней и стремящаяся сократить свободную поверхность тела до наименьших возможных пределов при данном объеме. В этом случае единицей измерения σ является .

В гетерогенных системах поверхность раздела, приходящаяся на единицу массы, очень мала. Поэтому величиной поверхностной энергии Гиббса G_s можно пренебречь.

Согласно второму закону термодинамики, энергия Гиббса системы самопроизвольно стремится к минимуму. У индивидуальных жидкостей уменьшение поверхностной энергии Гиббса осуществляется в основном за счет сокращения поверхности (слияние мелких капель в более крупные, шарообразная форма капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии). В растворах уменьшение поверхностной энергии Гиббса может происходить также за счет изменения концентрации компонентов в поверхностном слое.

Поверхностная энергия и поверхностное натяжение зависят от температуры, природы граничащих сред, природы и концентрации растворенных веществ.

Адсорбция, ее основные понятия и виды

Адсорбцией называют концентрирование (сгущение) веществ на поверхности раздела фаз. Вещество, которое адсорбирует другое вещество, называют адсорбентом (рис. 2). Название адсорбируемого вещества зависит от его положения по отношению к адсорбенту. Если вещество находится в объеме и может адсорбироваться (его химический потенциал равен μ^V, а концентрация с), то его называют адсорбтивом. Это же вещество в адсорбированном состоянии (его химический потенциал уже становится равным μ^B , а концентрация – с^В) будет называться адсорбатом. Иными словами, для обозначения положения адсорбируемого вещества используют термины адсорбтив (до адсорбции) и адсорбат(после адсорбции).

Рис.2

Молекулы (атомы, ионы, радикалы) адсорбата соприкасаются с поверхностью адсорбента и удерживаются на его поверхности. Поэтому концентрация молекул на поверхности становится больше, чем в объеме соприка сающейся с ней

жидкости или газа (см. рис.2). Часть молекул с поверхности может перейти обратно в объем. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.

В зависимости от агрегатного состояния адсорбента и адсорбтива различают адсорбцию на границе твердого тела и газа (Т-Г), жидкости и газа (Ж-Г) и твердого тела и жидкости (Т-Ж).

Рассмотрим в качестве примера некоторые адсорбционные процессы.

Активированный уголь обладает значительной пористостью и повышенной адсорбционной способностью, хорошо адсорбирует летучие вещества. Входящие в состав молока жиры и белки адсорбируются на границе раздела водная среда-воздух и снижают поверхностное натяжение воды с 73 до 45-60 мДж/м². Очистку растительных масел от красящих веществ, так называемый процесс отбеливания, осуществляют с помощью бентонитовых глин, выполняющих роль адсорбента. На основе адсорбции проводят очистку и осветление жидкости.

Адсорбция газов на угле происходит на границе Т-Г, жиров и белков – на границе Ж-Г, а красящих веществ на бентоните – по границе двух конденсированных тел Т-Ж. Причем в первом случае адсорбируются молекулы газа или паров на твердой поверхности, а во втором и третьем случае в качестве адсорбата выступает растворенное в жидкости вещество. В ходе всех этих процессов происходит концентрирование веществ на поверхности раздела фаз.

Избыток адсорбата в поверхностном слое по сравнению с его поверхностным количеством в этом слое характеризует избыточную, или так называемую гиббсовскую адсорбцию (Г). Она показывает на сколько увеличилась концентрация адсорбата в результате адсорбции:

Г = А–N (3)

где N-количество адсорбата в адсорбционном слое, когда его концентрация на поверхности соответсвует концентрации в объемной фазе.

Когда концентрация адсорбата на поверхности адсорбента значительно превышает его концентрацию в объеме, т.е. с^В >>с, то величиной N можно пренебречь и считать, что

Г=А (4)

В случае адсорбции на границе раздела жидкость-газ и адсорбции на твердых гладких поверхностях величины Г и А определяют относительно единицы площади границы раздела фаз, т.е. размерность Г и А будет моль/м².

Для твердого и особенно пористого порошкообразного адсорбента, имеющего значительную границу раздела фаз, адсорбцию выражают по отношению к единице массы адсорбента, т.е. в этом случае величины Г и А имеют размерность моль/кг.

Таким образом, величина адсорбции для i-го компонента

(5)

где n_i – избыточное число молей адсорбата i-го компонента на поверхности по сравнению с его содержанием в объеме; В – площадь поверхности раздела фаз, м²; m – масса пористого порошкообразного адсорбента, кг.

В случае адсорбции одного компонента уравнения упрощаются:

(6)

Адсорбция на границе раздела жидкость-газ, жидкость-жидкость.
Уравнение адсорбции Гиббса

При растворении в воде поверхностно-активные вещества (ПАВ) накапливаются в поверхностном слое; поверхностно-инактивные вещества (ПИВ), наоборот, концентрируются в объеме раствора. И в том, и в другом случае распределение вещества между поверхностным слоем и внутренним объемом подчиняется принципу минимума энергии Гиббса: на поверхности оказывается то вещество, которое обеспечивает наименьшее поверхностное натяжение, возможное при данных условиях. В первом случае это молекулы ПАВ, во втором – молекулы растворителя (воды). Происходит адсорбция.

Разность концентраций в поверхностном слое и объеме раствора приводит к возникновению сил осмотического давления и процессу диффузии, стремящемуся выравнить концентрации по всему объему.

Когда уменьшение поверхностной энергии, связанное с обеднением или обогащением поверхностного слоя растворенным веществом, будет уравновешено противодействующими силами осмотического давления (или когда химические потенциалы растворенного вещества и растворителя в поверхностном слое будут равны их химическим потенциалам в объеме раствора). В системе наступит подвижное равновесие, которое характеризуется определенной разностью концентраций между поверхностным слоем и объемом раствора.

Избыток или недостаток растворенного вещества в поверхностном слое, отнесенный к единице поверхности. Обозначают через Г, называют гиббсовской адсорбцией и выражают в моль/м², кг/м² и т.п.

В тех случаях, когда концентрация адсорбтива в поверхностном слое больше, чем в объеме раствора, Г>0 – адсорбция положительна. Это характерно для растворов ПАВ. При недостатке вещества в поверхностном слое Г<0 – адсорбция отрицательна, что имеет место для растворов ПИВ.

Таким образом, положительной адсорбцией называют адсорбцию, сопровождающуюся накоплением растворенных веществ в поверхностном слое. Отрицательной называют адсорбцию, сопровождающуюся вытеснением растворенного вещества из поверхностного слоя внутрь среды.

Практическое значение имеет только положительная адсорбция, поэтому под термином “адсорбция” имеют в виду именно этот случай.

Изотерма адсорбции для жидких поверхностей раздела, т.е. для систем жидкость – газ и жидкость – жидкость, как правило, имеет вид, приведенный на рисунке 3.

Рис 3 Изотерма адсорбции

Наибольшее и постоянное значение адсорбции Г или А, при котором достигается насыщение адсорбционного слоя и адсорбция уже не зависит от концентрации, называют предельной адсорбцией Г_ПР (А_ПР).

Пределом положительной адсорбции служит полное насыщение поверхностного слоя молекулами растворенного вещества. Процесс насыщения моно слоя тормозится тепловым движением, которое увлекает часть молекул адсорбированного вещества из поверхностного слоя внутрь раствора. С понижением температуры тепловое движение ослабевает и поверхностный избыток при той же концентрации с раствора увеличивается.

Предел, к которому стремится отрицательная адсорбция – это полное вытеснение растворенного вещества молекулами растворителя из поверхностного слоя.

Простых и доступных способов прямого определения избытка растворенного вещества в адсорбционном слое на подвижных границах раздела фаз пока не существует. Однако на поверхностях раздела жидкость – газ и жидкость – жидкость может быть точно измерено поверхностное натяжение, поэтому для определения адсорбции особенно важным является уравнение изотермы адсорбции Гиббса:

(7)

где с – концентрация при равновесии адсорбционного слоя и газообразного или растворенного вещества в среде, из которой происходит адсорбция;

dσ – бесконечно малое изменение поверхностного натяжения; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура; dс – бесконечно малое изменение концентрации раствора; Г- поверхностный избыток адсорбируемого вещества.

Уравнение Гиббса позволяет определить величину поверхностного избытка по уменьшению величины σ, вызванному изменением концентрации раствора. Г представляет собой разность между концентрациями адсорбтива в поверхностном слое и в объеме раствора. Конечный результат вычисления Г не зависит от способа выражения концентрации с. Знак адсорбции определяется знаком производной .

Если адсорбция положительна, то согласно уравнению (7) <0, Г>0. При отрицательной адсорбции >0, Г<0. Зависимость знака адсорбции от знака называют правилом Гиббса.

Уравнение изотермы адсорбции Гиббса с точки зрения термодинамики универсально и применимо к границам раздела любых фаз. Однако область практического использования уравнения для определения величины адсорбции ограничена системами, у которых доступно экспериментальное измерение поверхностного натяжения, т.е. системами жидкость-газ и жидкость-жидкость. Рассчитанные по этому уравнению значения Г наиболее близко совпадают со значениями, найденными другими методами, в области разбавленных растворов.