Процессы протекающие на границах раздела фаз независимо от их агрегатного состояния и приводящие к понижению поверхностной энергии
ЛЕКЦИЯ 10
«Краситель, растворенный в воде, удерживается поверхностью ткани, чернила – волокнами бумаги, примеси в воздухе – активированным углем, силикагелем, алюмогелем, удобрения – поверхностью почвы, шерстяная ткань захватывает совей поверхностью молекулы газов, составляющих воздух, чем и объясняется ее хорошая термоизолирующая способность, кожа наших рук – частицы загрязнений и т. д. Это явление носит название адсорбции (от лат. sorbeo – втягиваю, поглощаю)»
Вместе с этой лекцией читают "1.3 Магнитные накопители".
Н.Н. Цюрупа
Из предыдущих лекций Вы узнали, что избыточная энергия поверхностного слоя конденсированной фазы (жидкой или твердой) на границе с воздухом может самопроизвольно уменьшаться за счет сокращения площади поверхности или за счет явлений смачивания и растекания. В чем принципиальная разница между указанными процессами?
В первом случае удельная поверхностная энергия (интенсивный параметр, не зависящий, от количества вещества) остается неизменным, а понижение энергии системы в целом происходит вследствие уменьшения экстенсивного параметра – площади поверхности (например, капли в воздухе принимают форму шара – тела с минимальной площадью поверхности). Во втором случае величина площади поверхности не изменяется, а суммарная энергия системы уменьшается за счет понижение энергии именно поверхностного слоя. Это происходит вследствие того, что частицы поверхностного слоя сильнее взаимодействуют с частицами смачивающего вещества, чем с молекулами воздуха. В итоге такое взаимодействие частично компенсирует силу, втягивающую поверхностные молекулы жидкости в объем и их энергия понижается.
Какие еще процессы, которые могут протекать на границах раздела фаз независимо от их агрегатного состояния, приводят к понижению поверхностной энергии?
Наряду со смачиванием поверхности твердого тела жидкостью и растеканием жидкости по поверхности другой жидкости, понижение поверхностной энергии системы может достигаться за счет адсорбции – самопроизвольного перераспределения компонентов между объемом фазы и ее поверхностным слоем. Адсорбция является универсальным процессом, так как она характерна для любых поверхностей раздела фаз и встречается практически повсеместно. Чаще всего под адсорбцией подразумевают концентрирование вещества на твердой или жидкой поверхности, которое происходит вследствие перехода этого вещества из объема одной или нескольких контактирующих фаз на межфазную поверхность. Поглощающее (адсорбирующее) вещество называют адсорбентом, а поглощающееся (адсорбирующееся) – адсорбатом. Здесь мы встречаемся с удивительным явлением, в котором интенсивные величины (концентрации) в самопроизвольном процессе не выравниваются, как обычно, а наоборот расходятся, и в состоянии равновесия концентрации веществ в объемных фазах и на межфазных поверхностях не равны. Этот результат адсорбционного процесса был предсказан Гиббсом и после подтвержден экспериментально.
Наиболее яркий пример адсорбции – это поглощение активированным углем вредных для здоровья примесей из питьевой воды. Здесь адсорбентом является активированный уголь, а адсорбатом – вредные примеси. Другой пример – концентрирование на поверхности любого твердого тела или жидкости молекул различных примесей, находящихся в воздухе. При растворении мыла в воде наблюдается понижение поверхностного натяжения образующегося раствора за счет перехода растворенных молекул на его поверхность из объемной фазы, что также относится к явлению адсорбции. (Приведите другие примеры адсорбции, известные Вам из повседневной жизни, природы, промышленности, медицины. Предложите материалы, которые могут быть использованы в качестве адсорбентов. Как Вы считаете, какими характеристиками должны обладать эффективные адсорбенты?)
