Поверхностные явления

Пове́рхностные явле́ния — совокупность явлений, обусловленных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкосновения фаз. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряжённых фаз.

Поверхностные явления обусловлены тем, что в поверхностных слоях на межфазных границах вследствие различного состава и строения соприкасающихся фаз и соответственно из-за различия в связях поверхностных атомов и молекул со стороны разных фаз существует ненасыщенное поле межатомных, межмолекулярных сил. Вследствие этого атомы и молекулы в поверхностных слоях образуют особую структуру, а вещество принимает особое состояние, отличающееся от его состояния в объеме фаз различными свойствами[1]. Поверхностные явления изучаются коллоидной химией.

Классификация поверхностных явлений

Поверхностные явления принято классифицировать в соответствии с объединенным уравнением первого и второго начал термодинамики, в которое входят основные виды энергии. Для любой гетерогенной системы его можно записать в следующем виде:



Это уравнение показывает приращение энергии Гиббса через алгебраическую сумму приращений других видов энергии. Очевидно, что поверхностная энергия способна переходить в следующие виды энергии:

  • Энергия Гиббса
  • Теплота
  • Химическая энергия
  • Механическая энергия
  • Электрическая энергия

Превращение поверхностной энергии в один из перечисленных видов энергии соответствует определенным поверхностным явления, таким как изменение реакционной способности при изменении дисперсности, адгезия и смачивание, капиллярность, адсорбция, электрические явления.

Значение поверхностных явлений

Поверхностные явления широко распространены в химической технологии. Практически любое химическое производство осуществляется с применением дисперсных систем и поверхностных явлений. Как правило, все гетерогенные процессы в химической технологии проводят при максимальной поверхности контакта фаз. Для этого системы вещества переводят в состояние суспензий, порошков, эмульсий, туманов, пылей. Процессы измельчения сырья и промежуточных продуктов, обогащение протекают в дисперсных системах, значительную роль в них играют такие явления как смачивание, капиллярность, адсорбция, седиментация, коагуляция. Широко распространены в химической технологии пористые адсорбенты и катализаторы, представляющие собой дисперсную систему с твердой дисперсионной средой.

Закономерности протекания поверхностных явлений, в частности структурообразования, служат теоретической основой получения материалов с заданными свойствами: керамики, цементов, ситаллов, сорбентов, катализаторов, полимеров, порохов, лекарственных средств и т. п.

Явления на водных поверхностях

Существует отчётливый контраст между простотой раздела поверхностей «масло-вода» при визуальном осмотре и его сложностью на уровне микроскопического масштаба, которая проявляется в молекулярной структуре границы и в динамике её водородных связей[2]. Огромный объём работ, начиная с Пуассона и Максвелла, был посвящён вопросам изучения структуры воды и её реакционной способности на границе раздела, однако из-за скандала с поливодой тема структуры воды испытала спад научной активности[3].

Поверхностные явления на границе «масло-вода» лежат в основе ряда важных химических, физических и биологических процессов, включая образование мицелл и мембран, сворачивание белка, химическое разделение, нефтедобычу, формирование наночастиц и полимеризацию на границе фаз.[4]

Структура воды, контактирующей с «расширенными» гидрофобными поверхностями, которые возникают на границе раздела, например, в эмульсии гексана, сильно отличается от структуры гидратационной оболочки простых растворённых веществ, таких как метан. В гомогенном растворе метана молекулы водной оболочки ориентированы по касательной к сфере молекулы метана; в то время как в эмульсии гексана около 25 % поверхностных молекул воды теряют одну водородную связь, а возникающие при этом свободные группы OH проникают в мицеллу гексана. Согласно гипотезе химиков Ю. Чона и Р. А. Маркуса, наличие свободных групп OH является причиной, по которой некоторые органические реакции на водных поверхностях ускоряются в сотни раз.[5]

Водная поверхность в коллоидах может иметь кластерную структуру, состоящую из нескольких водных слоёв.[6]

См. также

Примечания
  1. Biletskyi, V.,Shendrik,T.,Sergeev,P.Derivatography as the method of water structure studying on solid mineral surface.//London-2012.Geomechanical Processes During Underground Mining - Proceedings of the School of Underground Mining , pp. 181.
  2. McFearin, Beaman, Moore et al., 2009.
  3. Vogler, 1998.
  4. Moore, Richmond, 2008.
  5. Jung, Marcus, 2007.
  6. Chaplin, 2006.

Литература
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.