2.3. Самопроизвольные процессы в поверхностном слое

Известно, что самопроизвольно протекают только те процессы, которые приводят к уменьшению свободной энергии системы. Поскольку поверхностное натяжение – это свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади межфазной поверхности, самопроизвольно могут протекать процессы, сопровождающиеся уменьшением площади межфазной поверхности. К поверхностным явлениям, связанным с уменьшением поверхности, можно отнести:

• стремление капель жидкости или пузырьков газа принять сферическую форму (сферические частицы имеют самую маленькую удельную поверхность);

• слипание твердых частиц дисперсной фазы (коагуляция);

• слипание капель в эмульсиях или пузырьков газа в пенах (коалесценция);

• рост кристаллов.

Если площадь межфазной поверхности остается по­стоянной, самопроизвольное протекание процесса может осуществляться за счет уменьшения поверхностного натяжения, которое может быть обусловлено процессом адсорбции.

2.4. Адсорбция. Общие положения, классификация

Адсорбцией называется самопроизвольное изменение концентрации компонента в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме фазы.

Более плотную фазу (определяющую форму поверхности) принято называть адсорбентом; вещество, молекулы которого могут адсорбироваться – адсорбтивом; уже адсорбированное вещество – адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.

В зависимости от природы адсорбционных сил, адсорбция может быть физической и химической.

Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия.

Если молекулы полярны, возникают ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия. В случае неполярных молекул возможны только дисперсионные взаимодействия.

Особенности физической адсорбции:

1. Обратимость. Имеет место динамическое равно­весие:

Сорбция ↔ Десорбция.

Десорбция обусловлена тепловым движением. При адсорбции на поверх­ности возникает адсорбционный комплекс.

При десорбции комплекс разрушается и адсорбтив выделяется в химически неизменном виде.

2. Малая специфичность. На полярных адсорбентах адсорбируются полярные вещества, на неполярных – неполярные.

3. Незначительная теплота адсорбции (теплота, ко­торая выделяется при адсорбции). Она составляет всего 8–40 кДж/моль, т. е. соизмерима с теплотой конденсации.

4. С повышением температуры адсорбция уменьшается, так как увеличивается скорость десорбции.

Химическая адсорбция (хемосорбция) возникает в ре­зультате химической реакции между адсорбтивом и ад­сорбентом с образованием нового поверхностного соединения. Процесс происходит только на поверхности адсорбента.

Адсорбция

Адсорбция на границе жидкий раствор – газ

Адсорбция на границе

твердое тело – жидкий раствор

Адсорбция на границе твердое тело – газ

Рис 2.2. Классификация адсорбции в зависимости от агрегатного состояния адсорбента и адсорбтива.

Особенности химической адсорбции:

1. Необратимость. При десорбции с поверхности ухо­дит поверхностное соединение. Десорбция обусловлена какими-то внешними воздействиями.

2. Специфичность. Адсорбция происходит, только если возможна химическая реакция.

3. Высокая теплота адсорбции, которая может достигать 800–1000 кДж/моль, т.е. сопоставима с тепловыми эффектами химических реакций.

4. Повышение температуры приводит к увеличению хемосорбции, так как увеличивается скорость химического взаимодействия.

Изучив тему «Поверхностные явления», вы должны знать:

• сущность поверхностного натяжения, почему оно возникает;

• условия самопроизвольного протекания процессов в поверхностном слое;

• сущность процесса адсорбции;

• особенности физической и химической адсорбции.