Лекция 10. Дисперсные системы. Поверхностные явления
Ключевые слова: дисперсионная среда, дисперсная фаза, адсорбция, поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Дисперсные системы – гетерогенные системы, состоящие из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды - и находящихся в ней раздробленных частиц того или иного размера и формы – дисперсной фазы.
Количественной характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (Д): Д = 1/ a, где a– размеры частиц.
По степени дисперсности все дисперсные системы можно разделить на три группы:
1. Грубодисперсные (взвеси) – размеры частиц 10-5-10-7 м.
2. Коллоидные растворы (золи) – размеры частиц 10-7-10-9 м.
3. Истинные растворы – размеры частиц менее 10-9м.
Трем возможным агрегатным состояниям дисперсной фазы и дисперсионной среды соответствуют следующие типы гетерогенных дисперсионных систем.
(классификация по агрегатным состояниям)
Агрегатное состояние дисперсионной среды | Агрегатное состояние дисперсной фазы | ||
газообразное | жидкое | твердое | |
Газообразное | - | Г-Ж (туман) | Г-Т (дымы, пыли) |
Жидкое | Ж-Г (пены) | Ж1-Ж2 (эмульсии) | Ж-Т (суспензии) |
Твердое | Т-Г (твердые пены) | Т-Ж | Т1-Т2 |
Таким образом, дисперсные системы – гетерогенные системы. В системах Ж-Г, Ж-Т, Г-Т и других каждая фаза ограничена внешней поверхностью. Состояние вещества у поверхности раздела соприкасающихся фаз отличается от его состояния внутри этих фаз. Это различие вызывает особые поверхностные явления на границе раздела фаз.
|
|
Чем больше поверхность раздела между фазами (или поверхность единицы объема системы), тем больше ее избыточная свободная энергия, сконцентрированная на поверхности раздела фаз. Следовательно, все дисперсные и особенно коллоидные системы обладают большим запасом, или избытком, свободной энергии, сконцентрированным на поверхности дисперсной фазы, чем обычные массивные тела. Условием устойчивого равновесия системы является минимум свободной энергии. Системы с большим запасом свободной энергии неравновесны, термодинамически неустойчивы, в них будут самопроизвольно протекать процессы, сопровождающиеся уменьшением запаса свободной энергии, которая всегда стремится к минимальному значению.
Одним из таких самопроизвольных процессов, протекающих на границе раздела двух фаз и приводящих к снижению поверхностного натяжения, является адсорбция.
Изменение концентрации газообразного или растворенного вещества на границе раздела фаз – на поверхности твердого тела или жидкости – называется адсорбцией.
Повышение концентрации на границе раздела фаз есть положительная адсорбция. Растворенные вещества, понижающие поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными (ПАВ), а повышающие – поверхностно-инактивными.
|
|
Одно и то же поверхностно-активное вещество может гидрофобную жидкость делать гидрофильной, а гидрофильную превращает в гидрофобную (рисунок).
.
а б
Ориентация молекул поверхностно-активных веществ на границе:
а – вода – масло; б – масло-вода
Вещество, поглощающее своей поверхностью молекулы или ионы других веществ, называется адсорбентом. Адсорбируемое вещество называется адсорбтивом:
адсорбция
адсорбент + адсорбтив адсорбат
десорбция
В некоторых случаях поглощение, начавшееся на поверхности, распространяется вглубь поглотителя. Такой процесс называется абсорбцией.
Общий термин для всех явлений, связанных с поглощением – сорбция. Следовательно, адсорбция и абсорбция представляют собой частные случаи сорбции. Абсорбция – явление объемное, а адсорбция – чисто поверхностное. Сорбция может ограничиваться либо только взаимодействием за счет физических (ван-дер-ваальсовых) сил, либо одновременно сопровождается образованием нового вещества за счет проявления валентных (химических) сил (хемосорбция).
Контрольные вопросы:
1. Что такое дисперсные системы?
2. Что является дисперсионной средой и дисперсной фазой в тумане?
3. Какой процесс называют адсорбцией?
4. Что такое ПАВ?
Список рекомендуемой литературы:
1. Глинка Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Глинка. - М.: КНОРУС, 2009. - С. 314 - 351.
2. Коровин Н.В. Общая химия: учебник для технических направл. и спец. вузов - 7-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2006. - С. 243 - 250.
Е.А. Буйлова, Д.Р. Галиева