Раздел 5. Теория поверхностных явлений

РАЗДЕЛ 5. ТЕОРИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

 

Поверхности раздела фаз часто играют важную роль в технологических процессах, и их влиянием нельзя пренебрегать. Если рассмотреть какое – либо свойство, то вклад в это свойства поверхности особенно важен в двух случаях:

Ø если значение этого свойства на поверхности значительно больше чем в объеме;

Ø если доля атомов на поверхности сравнима с объемной.

Процессы на поверхностях раздела играют важную роль в экологии (поглощение вредных веществ из газов и растворов), в металлургии (процессы флотации), хроматографии (разделение газовых смесей), электротехнике (обогащение поверхности вольфрамовой проволоки в лампах накаливания щелочноземельными элементами), электронике (деградация материалов по внутренним поверхностям раздела), в технологиях пайки и склеивания поверхностей, пластификации материалов и даже в бытовых условиях (очистка поверхностей и воды от загрязнений). Поэтому теория поверхностных явлений, помимо познавательного, представляет существенный практический интерес.

Поверхности раздела могут быть (см. рисунок): Ø между твердыми фазами и газом (1 и 2); Ø между жидкостью и газом (3); Ø между жидкостью и твердой фазой (4); Ø между зернами в кристалле (5); Ø между двумя твердыми фазами(6).

Первые 4 типа поверхностей называют внешними, последние два – внутренними.

В последнее время особый интерес в науке и технологиях вызывают так называемые наноструктурные материалы (наноматериалы). Из за малого размера зерен или частиц они обладают развитой внешней или внутренней поверхностью, которая может достигать 1000 м²/грамм, т.е. площадь поверхности одного грамма сопоставима с площадью футбольного поля.

 

Адсорбция

Явление самопроизвольного изменения (увеличения) концентрации вещества (адсорбата) на поверхности конденсированной фазы (адсорбента) называется адсорбцией.

Под физической адсорбцией понимают процесс, обусловленный молекулярными (Ван-дер-Ваальсовыми) силами взаимодействия адсорбента с адсорбатом. Химическая адсорбция (хемосорбция) связана с образованием поверхностных химических соединений.

При адсорбции из газовой фазы или адсорбции растворенного вещества из разбавленного раствора концентрация вещества (i) на поверхности может быть много больше чем в объеме. В таком случае: адсорбция (Г _i) – это количество газа (растворенного вещества) на поверхности адсорбента.

При таком определении величина адсорбции имеет размерность моль, см³ или грамм. Часто адсорбцию относят к площади адсорбента (если она известна) или к его массе. В этих случаях адсорбция может иметь размерность моль/м², моль/г и др.

Для описания адсорбции обычно приводят зависимость адсорбции от давления (концентрации) при постоянной температуре ‑ изотерму адсорбции.

 

Теория Лангмюра

Простейшей теорией, описывающей равновесную адсорбцию из газовой фазы или разбавленных растворов, является теория Лангмюра.

Пример. Изотерма Жуховицкого для совершенного раствора.

Заменим активности компонентов на их мольные доли, тогда ;

 и

 ‑ и зотерма Жуховицкого для совершенных растворов.

Гиббсовы монослои. Если вещество снижает поверхностное натяжение, то оно адсорбируется на поверхности. При этом на поверхности может образоваться монослой растворенного вещества, мономолекулярная пленка. Можно считать, что в этой пленке развивается двумерное давление p=s₁-s, где s₁- поверхностное натяжение растворителя, а s- раствора. Зная адсорбцию (G) можно рассчитать p и наоборот. Рассмотрим простейший случай адсорбции в бесконечно разбавленном растворе. При этом адсорбция линейно зависит от концентрации в объеме. Используя адсорбционное уравнение Гиббса, получим:

 

или .

 

Окончательно:

Вводя G=1/f, получим уравнение, аналогичное уравнению состояния идеального газа:

pf=RT ‑- уравнение состояния поверхностной пленки.

РАЗДЕЛ 5. ТЕОРИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

 

Поверхности раздела фаз часто играют важную роль в технологических процессах, и их влиянием нельзя пренебрегать. Если рассмотреть какое – либо свойство, то вклад в это свойства поверхности особенно важен в двух случаях:

Ø если значение этого свойства на поверхности значительно больше чем в объеме;

Ø если доля атомов на поверхности сравнима с объемной.

Процессы на поверхностях раздела играют важную роль в экологии (поглощение вредных веществ из газов и растворов), в металлургии (процессы флотации), хроматографии (разделение газовых смесей), электротехнике (обогащение поверхности вольфрамовой проволоки в лампах накаливания щелочноземельными элементами), электронике (деградация материалов по внутренним поверхностям раздела), в технологиях пайки и склеивания поверхностей, пластификации материалов и даже в бытовых условиях (очистка поверхностей и воды от загрязнений). Поэтому теория поверхностных явлений, помимо познавательного, представляет существенный практический интерес.

Поверхности раздела могут быть (см. рисунок): Ø между твердыми фазами и газом (1 и 2); Ø между жидкостью и газом (3); Ø между жидкостью и твердой фазой (4); Ø между зернами в кристалле (5); Ø между двумя твердыми фазами(6).

Первые 4 типа поверхностей называют внешними, последние два – внутренними.

В последнее время особый интерес в науке и технологиях вызывают так называемые наноструктурные материалы (наноматериалы). Из за малого размера зерен или частиц они обладают развитой внешней или внутренней поверхностью, которая может достигать 1000 м²/грамм, т.е. площадь поверхности одного грамма сопоставима с площадью футбольного поля.

 

Адсорбция

Явление самопроизвольного изменения (увеличения) концентрации вещества (адсорбата) на поверхности конденсированной фазы (адсорбента) называется адсорбцией.

Под физической адсорбцией понимают процесс, обусловленный молекулярными (Ван-дер-Ваальсовыми) силами взаимодействия адсорбента с адсорбатом. Химическая адсорбция (хемосорбция) связана с образованием поверхностных химических соединений.

При адсорбции из газовой фазы или адсорбции растворенного вещества из разбавленного раствора концентрация вещества (i) на поверхности может быть много больше чем в объеме. В таком случае: адсорбция (Г _i) – это количество газа (растворенного вещества) на поверхности адсорбента.

При таком определении величина адсорбции имеет размерность моль, см³ или грамм. Часто адсорбцию относят к площади адсорбента (если она известна) или к его массе. В этих случаях адсорбция может иметь размерность моль/м², моль/г и др.

Для описания адсорбции обычно приводят зависимость адсорбции от давления (концентрации) при постоянной температуре ‑ изотерму адсорбции.

 

Теория Лангмюра

Простейшей теорией, описывающей равновесную адсорбцию из газовой фазы или разбавленных растворов, является теория Лангмюра.