Тема 4 Гетерогенные химические системы и поверхностные явления в них (спецраздел)

Рекомендуемая литература: [1], гл. 10, §§ 10.1-10.3, 105, 108; [2], гл. 6, §§ 6.5, гл. 8, §8.7; [4], гл. 9, § 1-6.

Гетерогенные химические системы (ГХС) состоят из нескольких фаз.

Фаза – это часть ГХС, однородная по химическому составу и агрегатному состоянию во всех своих точках и отделенная от других частей системы границей раздела (межфазной поверхностью).

Гетерогенные химические системы бывают со сплошными границами раздела фаз (например, жидкость в емкости в контакте с воздухом), а могут быть дисперсными.

Дисперсные ГХС – гетерогенные системы, в которых частицы одной фазы, называемой дисперсной, находятся в раздробленном (диспергированном) состоянии и равномерно распределены между частицами другой фазы, называемой дисперсионной средой (например, сырая нефть, содержащая природные поверхностно-активные вещества, в воде). В отличие от гомогенных дисперсных систем (истинных растворов), размеры частиц дисперсной фазы в гетерогенных дисперсных системах (ГДС) превышают ионно-молекулярный уровень.

Природа веществ, образующих фазы, различна, поэтому на межфазной поверхности (МП) возникают нескомпенсированные молекулярные силы и, как результат, избыточная поверхностная энергия Гиббса:

G_пов = ^.S, кДж,

где S (м²) – суммарная площадь поверхности раздела фаз,  (кДж/м²) – удельная поверхностная энергия Гиббса, т.е. приходящаяся на единицу поверхности раздела фаз. Для систем с конденсированными фазами  называют поверхностным натяжением.

Стремление ГХС уменьшить значение G_пов обусловливает возникновение в них поверхностных явлений: смачивание, адгезия, сорбция (адсорбция или абсорбция), а в гетерогенных дисперсных системах еще возникает агрегация и коагуляция.

Смачивание – это межмолекулярное взаимодействие на границе раздела фаз между веществами двух конденсированных фаз, находящихся в контакте с газовой фазой. Полное (растекание) или частичное смачивание поверхности одной фазы веществом другой фазы оказывается возможным только если эти вещества способны к какому-либо межмолекулярному взаимодействию (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и др.).

Адгезия – это смачивание, завершаемое прилипанием одной фазы к поверхности другой фазы.

Адсорбция – это концентрирование вещества, растворенного в одной фазе (эта фаза представляет собой истинный раствор), на поверхности другой фазы, т.е. на границе раздела фаз. Вещество, которое адсорбируется – адсорбат; вещество, на поверхности которого происходит адсорбция – адсорбент. Процесс адсорбции обратим и достигает состояния равновесия. Обратный процесс – десорбция.

В основе адсорбции лежит тот или иной вид межмолекулярного взаимодействия между адсорбатом и адсорбентом на границе раздела фаз. Существует правило: подобное адсорбируется на подобном, т.е. полярные вещества адсорбируются на полярных адсорбентах и наоборот.

Смачивание и адсорбция приводят к частичной компенсации нескомпенсированных молекулярных сил на границе раздела фаз и в результате – к снижению удельной поверхностной энергии , а, следовательно, и к уменьшению G_пов.

Особую роль играет адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ). Молекулы ПАВ дифильны, они в своей структуре имеют неполярный гидрофобный фрагмент и полярный гидрофильный фрагмент. Благодаря такому строению молекулы ПАВ могут адсорбироваться на любой межфазной поверхности: полярной частью на полярной поверхности, а неполярной частью на неполярной поверхности.

В результате адсорбции ПАВ происходит уравнивание полярностей поверхностей фаз на границе их раздела и, как результат – снижение  и G_пов.

Отличительным признаком действия ПАВ является возрастание эффекта снижения поверхностного натяжения () по мере увеличения концентрации ПАВ (т.е. степени адсорбции) на границе раздела фаз (до момента достижения равновесия).

Гетерогенные дисперсные системы (ГДС) имеют громадное множество границ раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды. В результате этого суммарная площадь поверхности раздела фаз (S) и, следовательно, G_пов в ГДС очень значительны. Гетерогенные дисперсные системы имеют возможность самопроизвольного уменьшить величину S путем слипания или слияния частиц дисперсной фазы. Такое явление называется агрегацией. В результате укрупнения частиц дисперсной фазы их масса растет, и в какой-то момент происходит их оседание под действием сил тяжести. Такое явление называется седиментацией. Агрегация, приводящая к седиментации и имеющая необратимый характер, называется коагуляцией. В результате коагуляции происходит разрушение ГДС.

Стабилизация ГДС может быть достигнута в результате адсорбции ПАВ или возникновения двойного электрического слоя на границах раздела частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. Возможность действия этих факторов определяется природой частиц фазы и среды.

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы ГДС подразделяются на коллоидные растворы (размер частиц фазы 10^-7 – 10^-5 см) и взвеси (размер частиц фазы более 10^-5 см). Взвеси подразделяются на микрогетерогенные системы (размер частиц 10^-5 – 10^-3 см) и грубодисперсные системы (размер частиц 10^-3 – 1 см).

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды ГДС подразделяются на следующие разновидности (табл. 4.1):

Таблица 4.1 – Разновидности гетерогенных дисперсных систем

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Обозначение (фаза/среда)	Название
Газообразная (Г)	Жидкая (Ж) Твердая (Т)	Ж/Г Т/Г	Аэрозоли
Жидкая (Ж1)	Газообразная (Г) Жидкая (Ж2) Твердая (Т)	Г/Ж1 Ж2/Ж1 Т/Ж1	Жидкие пены Эмульсии Суспензии
Твердая (Т1)	Газообразная (Г) Жидкая (Ж) Твердая (Т2)	Г/Т1 Ж/Т1 Т2/Т1	Твердые пены, пористые тела Капиллярные системы, твердые эмульсии Сплавы, минералы