Свободная поверхностная энергия

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. АДСОРБЦИЯ

Все биологические объекты представляют собой гетерогенные системы, состоящие из нескольких фаз, которые отделены друг от друга поверхностями раздела. Кожные покровы, стенки кровеносных сосудов, слизистые оболочки, клеточные мембраны и другие системы живых организмов имеют высокоразвитые поверхности раздела. С особыми свойствами этих поверхностей связаны такие широко распространенные явления, как поверхностное натяжение, сорбция, адгезия, смачивание.

Свободная поверхностная энергия

В зависимости от агрегатного состояния контактирующих фаз различают подвижные и неподвижные границы их раздела. В системах газ-жидкость и жидкость-жидкость поверхность раздела подвижна, так как частицы на поверхности каждой фазы из-за теплового движения постоянно меняются. В системах твердое вещество-газ и твердое вещество-жидкость поверхность раздела неподвижна и определяется геометрией кристаллической решетки.

Частицы, находящиеся на поверхности раздела фаз, отличаются по своей энергии от частиц, находящихся в объеме фазы. Как показывает рис.9, молекулы, находящиеся в объеме жидкости, со всех сторон окружены такими же молекулами, поэтому равнодействующая сил межмолекулярного взаимодействия равна нулю. В то же время молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, испытывают различное воздействие со стороны многочисленных молекул жидкости и малочисленных молекул пара, поэтому равнодействующая сил межмолекулярного взаимодействия не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Для перемещения молекулы из внутреннего слоя жидкости в поверхностный слой необходимо затратить дополнительную энергию на преодоление сил сцепления ее с окружающими молекулами. Затраченная энергия переходит в избыточную энергию молекул поверхностного слоя.

Такое же различие проявляется у атомов, молекул или ионов, образующих кристаллические решетки твердого тела, в зависимости от того, находятся ли они в объеме фазы (где силовое поле частицы полностью компенсировано силовыми полями соседних частиц) или в ее поверхностном слое (где происходит лишь частичная компенсация силовых полей) (рис.10).

Пар

Рис.9. Действие молекулярных Рис.10. Неоднородность

сил внутри жидкости поверхности

и на ее поверхности. твердого тела.

Таким образом, потенциальная энергия частиц, находящихся на поверхности раздела фаз, выше, чем у аналогичных частиц, расположенных в объеме фазы. Термодинамическая функция, характеризующая энергию взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз с частицами каждой из контактирующих фаз, называется свободной поверхностной энергией Гиббса G_S.

Свободная поверхностная энергия зависит от количества частиц на поверхности раздела, поэтому она прямо пропорциональна площади раздела фаз S:

G_S = σS

Для подвижных поверхностей раздела фаз коэффициент пропорциональности σ называется поверхностным натяжением. По своему физическому смыслу поверхностное натяжение равно работе, которую нужно затратить на образование единицы поверхности раздела. Измеряется σ в Дж/м² или в Н/м.

Величина поверхностного натяжения зависит от природы контактирующих фаз; так, для полярных жидкостей вследствие более сильного межмолекулярного взаимодействия поверхностное натяжение существенно выше, чем для неполярных жидкостей.

С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается, поскольку снижается различие в энергии частиц контактирующих фаз. При критической температуре, когда полностью исчезает различие между паром и жидкостью, σ = 0.

Увеличение давления в газовой фазе, способствуя возрастанию концентрации молекул в ней, снижает различие в энергиях взаимодействия частиц жидкости и пара и уменьшает поверхностное натяжение.

Экспериментально величина поверхностного натяжения жидкостей определяется различными методами: методом отрыва кольца, по поднятию жидкости в капилляре, по наибольшему давлению пузырьков газа и др. Наиболее часто применяется сталагмометрический метод. В этом методе измеряют число капель, в виде которых определенный объем жидкости истекает из тонкого капилляра. Это число обратно пропорционально поверхностному натяжению жидкости. Обычно сравнивают число капель n (Н₂О) чистого растворителя (воды) и исследуемого разбавленного водного раствора n_x:

n (H₂O)

s_х = s (Н₂О)· ¾¾¾

n_x

Поверхностное натяжение воды при температуре 20°С составляет 72,75 мН/м.

Согласно второму началу термодинамики все самопроизвольные процессы протекают в направлении, приводящем к уменьшению энергии Гиббса. Поскольку G_S зависит от двух параметров - σ и S, то все поверхностные явления происходят самопроизвольно либо при снижении σ (различные виды сорбции), либо при снижении S (слияние капель жидкости или пузырьков газа - коалесценция и слипание частиц в дисперсных системах - коагуляция).

Дата добавления: 2015-07-24