Поверхневі явища - хімічна енциклопедія
ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА. фіз.-хім. явища, к-які обумовлені особливими (у порівнянні з об'ємними) св-вами поверхневих шарів рідин і твердих тіл. Наїб. загальне і важливе св-во цих шарів - надлишкова своб. енергія F = s S, де s поверхневі (міжфазне) натяг, для твердих тіл-уд. своб. поверхнева енергія. S-площа пов-сті розділу фаз. Поверхневі явища протікають наиб. виражено в гетерог. системах з сильно розвиненою пов-стю розділу фаз, т. е. в дисперсних системах. Вивчення закономірностей поверхневих явищ є складовою частиною колоїдної хімії та надзвичайно важливо для всіх її практич. додатків.
Мимовільні поверхневі явища відбуваються внаслідок зменшення поверхневої енергії системи. Вони м. Б. зумовлені зменшенням загальної пов-сті системи або зменшенням поверхневого натягу на межі поділу фаз. До поверхневих явищ, пов'язаних зі зменшенням загальної пов-сті, відносять: 1) капілярні явища. зокрема придбання краплями (в туманах) і газовими бульбашками (в рідкому середовищі) сферич. форми, при якій пов-сть краплі (бульбашки) мінімальна. 2) Коалесценція - злиття крапель в емульсіях (або газових пухирців в пенах) при їх безпосередній. контакті. 3) Спікання дрібних твердих частинок в порошках при досить високих т-рах. 4) Збірна рекристалізація - укрупнення зерен полікрісталліч. матеріалу при підвищенні т-ри. 5) ізотермічен. перегонка - збільшення обсягу великих крапель за рахунок зменшення дрібних. При цьому внаслідок покращення. тиску парів рідини з більш високою кривизною пов-сті відбувається випаровування дрібних крапель і подальша їх конденсація на більших краплях. Для рідини. що знаходиться на твердій основі, істот. роль в перенесенні в-ва від дрібних крапель до великих грає поверхнева дифузія. Изотермич. перегонка твердих частинок може відбуватися через рідку фазу внаслідок покращення. р-рімості більш дрібних частинок.
При певних умовах в системі можуть відбуватися мимовільні поверхневі явища, що супроводжуються збільшенням загальної пов-сті розділу фаз. Так, мимовільне диспер-гірованіе і утворення стійких ліофільних колоїдних систем (напр. Критич. Емульсій) відбувається в умовах, коли збільшення поверхневої енергії. викликається подрібненням частинок, компенсується їх залученням в тепловий рух і відповідним зростанням ентропії (див. Мікроемульсії). При гомог. освіті зародків нової фази при конденсації пари. кипінні. кристалізації з розчинів і розплавів збільшення енергії системи внаслідок утворення нової пов-сті компенсується зменшенням хім. потенціалу в-ва при фазовому переході. Критич. розміри зародків, при перевищенні яких брало виділення нової фази йде мимоволі, залежать від поверхневого натягу. а також від величини перегріву (переохолодження, пересичення). Зв'язок між цими параметрами визначається рівнянням Гіббса (див. Зародження нової фази).
Мимовільні поверхневі явища, в яких брало змінюється поверхневий натяг. 1) освіту огранки (рівноважної форми) кристалів. Рівноважної формі відповідає мінімум поверхневої енергії (принцип Гіббса-Кюрі -Вульфа). Тому межі з меншою уд. своб. поверхневою енергією мають велику площу пов-сті, ніж межі з високою уд. своб. поверхневою енергією. 2) Коагуляція-злипання дрібних твердих частинок в золях. суспензіях в більші агрегати з послід. руйнуванням системи і утворенням коагуляції. опадів разл. структури. Злипання відбувається внаслідок зниження міжфазного натягу в місці контакту частинок. Самовільний зворотний процес -пептізація, тобто розпад коагуляції. агрегатів-відбувається в тому випадку, якщо утворення ділянок пов-сті з покращення. значенням поверхневого натягу компенсується залученням виникають частинок в тепловий рух і відповідним збільшенням ентропії системи. 3) Адгезія - прилипання рідини до твердого тіла внаслідок зниження уд. своб. поверхневої енергії. Адгезія визначає величину крайового кута змочування. утвореного дотичною до пов-сті рідини в контакті з твердим тілом. 4) Гетерог. утворення зародків нової фази-конденсація парів на твердій пов-сті, освіту на стінках парових бульбашок при кипінні. зростання кристалів на затравки. У цих поверхневих явищах істот. роль відіграють мікронеоднорідності твердої пов-сті. Так, капілярна конденсація легше йде в мікроуглубленія, ніж на плоских ділянках. 5) Розтікання рідини з меншим поверхневим натягом по пов-сті ін. Рідини (напр. Нафти по воді). 6) Адсорбція-концентрована в поверхневому шарі або на пов-сті рідин і твердих тіл в-в, що знижують їх поверхневий натяг (уд. Своб. Поверхневу енергію) (див. Поверхнево-активні речовини). 8) електроповерхневих явища. обумовлені подвійним електричні. шаром іонів і міжфазних стрибками потенціалу на пов-сті розділу фаз. До них відносяться Електрокапілярні явища. пов'язані з впливом заряду пов-сті на величину поверхневого натягу; електрокінетіч. явища - електрофорез. електроосмос. виникнення потенціалу течії при протіканні рідини через пористу діафрагму і потенціалу осідання при переміщенні частинок в рідині.
Поверхневі явища при деформації і руйнуванні відбуваються не спонтанно, оскільки вимагають витрати роботи на освіту і розвиток нових пов-стей. Закономірності цих поверхневих явищ вивчає фізико-хімічна механіка. Одне з основних поверхневих явищ при деформації і руйнуванні - ефект Ребіндера (адсорбції. Зниження міцності). Воно полягає в зміні міцності і пластичності твердих тіл внаслідок зниження поверхневої енергії під час деформації і розвитку тріщини. Ефект Ребіндера відбувається при навантаженні матеріалів у присутності. визначених ПАР або в контакті з рідинами спорідненої мовляв. природи. Др. важливе поверхневе явище-значить. підвищення міцності кристалів в результаті розчинення поверхневих шарів або в процесі деформування (ефект Іоффе); його пов'язують з усуненням структурних дефектів. яких особливо багато в поверхневих шарах кристалічної. в-ва.
Витрата роботи призводить також до механохім. ефектів, обумовленим короткочасної активацією атомів (молекул) поверхневого шару в момент руйнування. Механохім. активація використовується для ініціювання та прискорення ряду хім. р-ций (див. Механохімія).
Використання поверхневих явищ широко й різноманітно у мн. галузях вироб-ва. Напр. змочування відіграє визначальну роль у витісненні нафти з пластів, при флотац. збагаченні корисних копалин. нанесенні фарб і покриттів, очищення газів від пилу. просочення будує. і текстильних матеріалів. Як гомогенне, так і гетерог. утворення зародків нової фази істотно позначається на ефективності теплообмінних процесів. Ефект Ребіндера використовують при бурінні гірських порід. хутро. обробці високоміцних матеріалів, подрібненні. обумовлюючи значить. скорочення енерговитрат. Модифікування пов-сті адсорбції. шарами дозволяє гідрофобізувати разл. матеріали (вироби, водовідштовхувальних тканин. запобігання злежування гідрофільних порошків). Змочування. адгезія. адсорбція змінюють биосовместимость кро ві з полімерними матеріалами. застосовуваними для протезування кровоносних судин. Спікання твердих частинок в порошкової металургії. микрокапсулирование і мн. ін. важливі напрямки техніки і технології засновані на різноманітних поверхневих явищах в дисперсних і колоїдних системах.
П оверхностние явища грають важливу роль в прир. атм. процесах; напр. виникнення значить. потенціалів осідання при переміщенні крапель туману і дощу призводить до грозових розрядів. Руйнування гірських порід. контактують з оксидними і силікатними розплавами. обумовлено ефектом Ребіндера; адсорбція білків і ліпідів - найважливіша стадія в функціонуванні клітинних мембран; розтікання орг. рідин по пов-сті води-одна з осн. причин забруднення природ. водойм.
Історичний нарис. Дослідження поверхневих явищ почалися в 18 ст. Першим експериментально встановленим фактом став закон капілярного підйому рідини. смачивающей стінки капіляра (Дж. Жюрен, 1718). Сферич. форма крапель несмачіваемих рідин на твердій пов-сті і циліндричні. струменів пояснена за допомогою поняття про поверхневому натягу рідини в 1752 (Я. Сегнер). У 1785 Т.Є. Ловица виявлена адсорбція розчинених у воді в-в на вугіллі.
У 19 ст. встановлені осн. кількостей. закономірності поверхневих явищ: закон капілярного тиску (П. Лаплас, 1806), сталість крайового кута змочування (T. Юнг, 1804), залежність тиску насичений. пара рідини від кривизни пов-сті (У. Томсон, 1870); перші термодинамич. співвідношення -ур-ня ізотерми адсорбції Гіббса (1878), залежність поверхневого натягу від елект. потенціалу (Г. Ліпман, 1875), сформульований принцип мінімуму площі пов-сті рідини (Ж. Плато, 1843). Серед найважливіших поверхневих явищ-наявність капілярних хвиль на пов-сті рідини (У. Релей, 1890), двомірне стан і незалежність дії адсорбції. шарів на пов-сті розділу фаз (І. Ленг-Мюр, 1917), адсорбції. зниження міцності (П. А. Ребіндера, 1923), розклинюючий тиск в тонких рідких плівках (Б. В. Дерягин, 1935).
Нові напрямки дослідження поверхневих явищ та їх використання пов'язані з розвитком мікроелектроніки, космонавтики, біотехнології. міцелярного каталізу. з розробкою биомембран, застосуванням порошкової металургії. вироб-вом тромборезістентних матеріалів, очних лінз і ін. В даний час проводять дослідження поверхневих явищ в екстремальних умовах-прі високих т-рах і тисках. в глибокому вакуумі. поблизу абс. нуля т-р, при великій кривизні пов-сті рідини. в умовах інтенсивних зовн. впливів (вібрації, сильних елект. та магн. полів, іонізуючих випромінювань і т. п.). Істот. увага приділяється вивченню кинетич. закономірностей поверхневих явищ, що необхідно для з'ясування їх мовляв. механізмів.
