1611143556-2273da8470727e985a6fa41fb7d7276c (825019), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Так, 1 см' вещества, раздробленного на шарики радиуса г, будет иметь общую поверхность, равную †= †; при г 10 см это составляет сотни квад- 4пг' 3 4ягв/3 ратных метров. Коццентрация адсорбированного газа зависит (при заданной температуре) от давления газа над поверхностью адсорбента. Эта зависимость изображается кривой — изотермой адсорбйии — изображенного на рис. 2 типа. Сначала поверхностная концентрация быстро растет с повышением давления.
По мере дальнейшего увеличения давления возрастание концентрации замедляется, стремясь, в конце концов, к некоторому пределу, или„как говорят, к насыщению. Опыт показывает, что насыщение адсорбции соответствует более или менее плотному заполнению поверхности адсорбента одинарным (так называемым мономолекулярным) слоем адсорбированных молекул. Очень важным свойством адсорбции является вызываемое ею изменение поверхностного натяжения на границе соприкасающихся сред; обычно речь идет при этом о поверхности жидкости.
Адсорбция всегда уменьшает коэффициент поверхностного натяжения, в противном случае адсорбция вообще не произошла бы. Здесь снова проявляется ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ (гл. хп стремление к уменьшению поверхностной энергии: помимо сокращения площади поверхности, это уменьшение может достигаться путем изменения физических свойств поверхности. В связи с их влиянием на поверхностное натяжение, вещества, способные адсорбироваться (на поверхности данной жидкости), называются поверхностно-активными. Для воды такими веществами являются, например, различные мыла.
Общее количество вещества, которое вообще может быть адсорбировано на поверхности жидкости, очень мало. Поэтому уже ничтожные примеси поверхностно-активных веществ, скапливаясь на поверхности жидкости, могут существенно изменить ее поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение жидкости очень чувствительно к ее чистоте. Так, уже очень небольшие добавки мыла могут уменьшить поверхностное натяжение воды более чем в 3 раза. Лдсорбционные мономолекулярные пленки на поверхности жидкости являются очень своеобразным физическим Объектом: они представляют собой как бы двухмерное состаяние вещества, в котором молекулы распределены не в трехмерном обьеме, а по двухмерной поверхности. В этом состоянии могут существовать различные фазы — «газообразные», «жидкие» и «твердые», вполне аналогичные обычным, трехмерным фазам.
В «газообразной» пленке адсорбированные молекулы расположены на поверхности жидкости сравнительно редко и могут свободно передвигаться по ней. В «конденсированных> пленках молекулы плотно примыкают друг к другу, сохраняя при этом некоторую свободу взаимного передвижения (позволяющую жидкой пленке «течь») или оказываясь настолько жестко связанными друг с другом, что пленка ведет себя как твердая.
Конденсированные пленки могут быть анизотропными. представляя собой двухмерные аналоги жидких или твердых кристаллов; в первом случае речь идет о правильной ориентации молекул вдоль поверхности адсорбента, а во втором — о некотором подобии двухмерной кристаллической решетки с правильным взаимным расположением молекул. Интересно, что такие анизотропные пленки могут образовываться на границе раздела двух изотропных сред — жидкости и газа.
Прекрасный объект для изучения этих явлений — моно- молекулярные пленки, образуемые на поверхности воды не- ЛЛСОРВЦИВ воз растворимыми в ней различными сложными органическими кислотами, спиртами и т. И.,молекулы которых представляют собой длинную углеводородную цепь с группами — СООН, — ОН и т. п. на одном из своих концов. Эти группы сильно притягиваются молекулами воды, какбы растворяясь в поверхностном слое воды, но не могут «втянуть» в жидкость всю молекулу, которая остается торчать над поверхностью. В конденсированной пленке образуется как бы частокол из плотно примыкающих друг к другу молекул, погруженных ОДНИМ ИЗ СВОИХ КОНЦОВ В ВОДУ.
Коэффициент поверхностного натяжения а покрытой пленкой поверхности воды меньше, чем его значение я на чистой поверхности. Разность а — а«может быть измерена непосредственно по силе, действующей на свободно плавающий по поверхности воды барьер, отделяющий пленку от чистой поверхности. На единицу длины этого барьера со стороны пленки будет действовать сила а, направленная внутрь пленки, а со стороны чистой поверхности — направленная в противоположную сторону сила а«.
Посколькуа«»а,то в результате получится, что пленка отталкивает барьер с силой ба=а — «« (на единицу длины). Эта сила представляет собой как бы давление пленки. Оно является (при заданной температуре) определенной функцией от площади 5 пленки (образованной заданным количеством адсорбнрованного вещества), подобно тому как давление обычного тела является функцией его объема. Для газообразной разреженной пленки (с и молекулами на площади 5) эта зависимость описывается формулой Ла= —, 8 ' аналогичной уравнению состояния идеального газа (р= =7«'йТЯ. При сжатии пленки (т.
е. уменьшении ее площади 5) при определенном значении Ла наступает фазовый переход в сплошную, конденсированную пленку. На кривой зависимости Ла от 5 этому переходу соответствует горизонтальный участок, вполне аналогично тому, как представляется переход между обычными паром и жидкостью на изотермах, изображающих зависимость между давлением р и объемом У ($70). ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕННЯ (гл.
Хп % 96. Краевой угол На краю поверхности жидкости, находящейся в сосуде, мы имеем дело с соприкосновением трех сред — твердой стенки (среда 1 на рис. 3), жидкости 2 и газа 3. Рассмотрим капиллярные явления у такой границы. К линии соприкосновения всех трех сред вместе (ее пересечение с плоскостью чертежа есть точка 0) приложены трн силы поверхностного натяжем ния, каждая из которых нап- равлена по касательной Р внутрь поверхности сопрнкос! з новения соответствующих двух сред, как показано стрел- Ф ками на рисунке. По величи- м не зги силы (отнесенные к Р ал единице длины линии соприал косновения) равны соответствующим коффициентам поРна 3.
верхностного натяжения а, апн а„. Угол между поверхностью жидкости и твердой стенкой обозначим буквой О, его называют краеаым углом. Поверхность жидкости устанавливается так, чтобы равнодействующая трех сил анм апн а„не имела составляющей вдоль стенки сосуда (перпендикулярная же составляющая уничтожается сопротивлением стенки). Таким образом, условие равновесия жидкости у стенки: а, =- а„+ а„соз О, откуда с О= а„— ам а,„ Мы видим, что краевой угол зависит только от природы трех соприкасающихся сред (от поверхностных натяжений на их границах); он не зависит от формы сосуда или от действующей на тела силы тяжести.
Следует, однако, иметь в виду, что поверхностные натяжения, а с ними и краевой угол, очень чувствительны к состоянию поверхностей раздела, к их чистоте. Если а„а„, т. е. если поверхностное натяжение на границе твердон стенки с газом больше, чем на границе с э 96) КРАИВОЙ УГОЛ жидкостью, то соз 0- 0 и угол 0 острый. Другими словами, край жидкости приподнят, ее поверхность (или, как говорят, мениск) имеет вогнутую форму (рис.
3, а). В таком случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность. Капля такой жидкости, нанесенная на кается по ней (рис. 4, а). Если же а1В(а„, то соз 0~0 и а) угол 0 тупой; край жидкости опущен и ее мениск выпуклый (рис. 3, 6). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает твердое тело. Так, краевой угол ртути на стекле составляет около 150', воды на парафине †око 105'. Капли таких жидкостей как бы ф поджимаются, стараясь уменьшить площадь своего соприкосновения с Рис.
4 твердой поверхностью (рис. 4, б). Поскольку косинус угла не может превышать (по своей абсолютной величине) единицы, то из полученной формулы для соз 0 видно, что во всяком реальном случае устойчивого равновесия жидкости у стенки должно выполняться условге С другой стороны, если понимать под а„, а„, аэа значения коэффициентов поверхностного натяжения для каждой пары сред самой по себе, в отсутствие третьей среды, то вполне может оказаться, что это неравенство не выполняется. В действительности надо иметь в виду, что третье вещество может адсорбироваться на границе раздела двух других, понижая на ней поверхностное натяжение.
В результате установятся такие значения коэффициентов а, для которых написанные условия выполнятся. От понятий смачивания и несмачивания в объясненном выше смысле надо отличать понятие о полном смачивании, связанное с явлением конденсации пара на поверхности твердого тела. Как мы знаем, конденсация пара в жидкость происходит под влиянием действующих между молекулами ван-дер-ваальсовых сил притяжения. Но такие силы могут действовать на молекулу пара не только со стороны ей поВегхностные яВления (гл. хп подобных, но и со стороны молекул твердого тела. Представим себе, что силы притяжения со стороны твердого тела более интенсивны, чем силы притяжения в самой жидкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
