ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 8Следующая ⇒

Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Балтийский государственный технический университет «Военмех»

А.П. КИСЕЛЕВ, А.А. КРАШЕНИННИКОВ, А.А. ФАТИНА

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

УДК 541(075.8)

К44

К44

УДК 541(075.8)

Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, проф. каф. «Двигатели и энергоустановки летательных аппаратов» БГТУ Л.П. Юнаков

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

ISBN 978-5-85546-818-2 ã Авторы, 2014

ã БГТУ, 2014

Введение

Поверхностные явления и дисперсные системы (коллоидная химия) – раздел физической химии, в котором рассматривают процессы образования и разрушения дисперсных систем и их свойства, связанные с поверхностными явлениями на границе раздела фаз в этих системах.

Реальные объекты живой и неживой природы, продукты и материалы, создаваемые человеком, являются, как правило, разновидностями дисперсных систем, например золи, эмульсии, пористые материалы, суспензии, пасты, пены и др.

Химия изучает, с одной стороны, свойства гомогенных объемных фаз, с другой – строение и свойства отдельных молекул. Дисперсные системы занимают промежуточное положение. В них вещества диспергированы до микрочастиц, сравнимых по размерам с молекулами, но при этом они, в отличие от гомогенных систем атомно-молекулярной дисперсности, имеют границу фаз. Свойства дисперсных систем определяются не только образующими их веществами, а, главным образом, взаимодействиями на границе раздела фаз. Вещества, входящие в дисперсные системы, обладают специфическими свойствами, отличными от свойств этих веществ в макросостоянии.

Исследования в области наноматериалов и нанотехнологий, получившие в последние годы приоритетное развитие, приводят к созданию принципиально новых материалов с заданными свойствами. Поэтому необходимо знакомить будущих инженеров с особенностями систем, содержащих наночастицы, свойства которых тесно связаны с химией дисперсных систем и поверхностных явлений.

1. Дисперсные системы:
Основные понятия и определения

Дисперсные системы характеризуются двумя признаками: гетерогенностью (многофазностью) и дисперсностью (от dispergo – распылять) − раздробленностью одной из фаз. В этих системах велика поверхность раздела фаз и, следовательно, высока доля поверхностных частиц, что определяет свойства и поведение данных систем.

Энергия химических связей между атомами, молекулами и ионами, образующими вещество в конденсированном состоянии, больше, чем средняя энергия теплового движения частиц. Поэтому твердые тела и жидкости имеют свой объем и, соответственно, собственную поверхность − границу фазы. Частицы в объеме фазы окружены такими же частицами, их химические связи полностью реализованы, силовые поля полностью скомпенсированы. Частицы поверхностного слоя, образующие границу фазы, со стороны объема вещества имеют химические связи, подобные связям частиц в объеме, а с противоположной стороны – связи с частицами окружающей среды (рис. 1.1). Вследствие этого атомы и молекулы в поверхностных слоях образуют особую структуру, а вещество находится в состоянии, отличающемся от его состояния в объеме фазы. Это приводит к тому, что поверхностный слой обладает избыточной, или поверхностной, энергией.

Рис. 1.1. Поверхностный слой и объемные частицы

Если количество поверхностных частиц (N_S) много меньше, чем объемных (N_V), энергия Гиббса системы определяется термодинамическими функциями фаз:

N_S < < N_V Δ G = Δ H − TΔ S,

где Δ H – энтальпия, Δ S – энтропия фаз; T – температура.

Если количество поверхностных частиц сравнимо с числом частиц в объеме (N_S ~ N_V), то учитывают поверхностную энергию (Δ G_s = σ S). Удельная поверхностная энергия определяется поверхностным натяжением фазы. Тогда энергия Гиббса дисперсной системы равна:

Δ G_д = Δ G + Δ G_s = Δ H − TΔ S + σ S,

где σ – поверхностное натяжение; S – площадь поверхности фазы.

Поверхностное натяжение – термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз, связанная с межмолекулярным взаимодействием на границе фаз. Физический смысл поверхностного натяжения – энергия образования единицы площади поверхности . Доля поверхностных частиц велика в случае, если частицы, образующие фазу, имеют малый объем, т.е. обладают большой удельной поверхностью (s_уд):

где s – площадь поверхности, V – объем фазы (частицы); − дисперсность фазы; l – линейный размер; k – коэффициент формы.

Большой удельной поверхностью обладают гетерогенные системы, состоящие из двух и более фаз, одна из которых непрерывная − дисперсионная среда, а вторая, прерывная, состоящая из частиц, имеющих малый линейный размер (l→ 0), − дисперсная фаза. Такие системы называются дисперсными. Дисперсную фазу могут образовывать как частицы (l_x, l_y_, l_z → 0), так и капилляры (l_x, l_y_,→ 0) и пленки (l_x → 0).

Вследствие обладания избыточной поверхностной энергией (Δ G_s) дисперсные системы, как правило, являются термодинамически неустойчивыми и самопроизвольно стремятся понизить свою энергию. Если не меняется химический состав, то понизить свою энергию система может уменьшением поверхности (S) или поверхностного натяжения (σ ). С первым условием связано самопроизвольное изменение формы частиц, кривизны поверхности, укрупнение частиц (коагуляция, коалесценция), а со вторым – адсорбция, адгезия, смачивание и др.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая ⇒