Поверхностные явления. Адсорбция. Адсорбция на границе жидкость-газ

Лекция 15

Поверхностные явления. Адсорбция

Тончайший мономолеку-лярный слой, располо-женный на границе раз-дела двух фаз, накапливает огромный запас свободной поверхностной энергией (Gs).

Поверхностное натяжение, адсорбция, адгезия и другие процессы, протекающие на границе раздела двух фаз, называются поверхностными явлениями. Они осущест-вляются самопроизвольно за счет свободной поверхностной энергии.

• Поверхностные явления играют важную роль в осуществлении процессов:
• дыхания,
• пищеварения,
• экскреции.

• Эти явления протекают in vivo на огромной площади поверхностей раздела:
• поверхность кожи – 1,5 м2
• эритроцитов – 3000 м2
• альвеол – 1000 м2

План

15.1 Поверхностная энергия и поверхностное натяжение 15.2 Адсорбция и ее виды 15.3 Адсорбция на границе жид-кость-газ 15.4 Адсорбция на твердых ад-сорбентах 15.5 Хроматография

15.1Энергетическое состояние молекул вещества в межфаз-ном поверхностном слое и в глубине фазы различно.

Рассмотрим состо-яние молекул в однокомпонентной двухфазной систе-ме: вода – водяной пар.

На молекулу воды, нахо-дящуюся в глубине фазы, действуют силы межмо-лекулярного взаимодейст-вия (f1), причем их равнодействующая равна нулю вследствие сим-метрии силового поля.

Межмолекулярные силы, дейст-вующие на молекулу в глубине фазы, скомпенсированы

∑f1= 0

пар жидкость

f1

Молекула на границе раздела фаз в большей степени испытывает дейст-вие межмолекулярных сил со стороны жидкой фазы (f1), чем со стороны газообразной (f2). Результирующий вектор силы (f3) направлен внутрь жидкости.

Эта сила создает внутреннее (межмолекулярное) давление жидкости, которое для воды составляет 14 000 атм/см2. Межмолекулярное давление-это причина того, что жидкости практически несжимаемы.

Межмолекулярные силы, действующие на молекулу, находящуюся на межфазной поверхности, нескомпенсированы

f2

пар

f1

f3

жидкость

Вследствие нескомпенси-рованности сил меж- молекулярного взаимодейст-вия, поверхностный слой имеет избыточную свобод-ную энергию (по сравнению с объемом жидкости): Gs = σ× S

где S – площадь поверхности раздела фаз, м2 σ – коэффициент про-порциональности, назы-ваемый поверхностным натяжением.

G Дж Н σ = , = S м2 м Поверхностное натяжение – это поверхностная энергия единицы площади поверх-ности раздела фаз.

На поверхностное натяжение жидкос-тей влияет: а) температура, б) полярность среды.

С увеличением темпера-туры поверхностное на-тяжение жидкостей умень-шается, т.к. разрывается часть связей межмоле-кулярного взаимодейст-вия.

Чем выше полярность жидкости, тем больше ее поверхностное натяже-ние, т.к. с увеличением полярности возрастают силы межмолекулярного взаимодействия.

Поверхностное натяжение жидкостей при 298 К

Поверхностное натя-жение – важная ха-рактеристика биоло-гических жидкостей. В норме σ крови равно 45,4×10-3 н/м.

Измерение поверх-ностного натяже-ния крови - важ-ный диагности-ческий тест.

Изменения σ сыворотки крови свидетельствует о наличии онкологических заболеваний, анафилакти-ческом шоке и других заболеваниях. Кроме того, поверхностное натяжение уменьшается с возрастом.

Наиболее принятым методом определения поверхностного натя-жения является ста-логмометрический ме-тод.

Согласно второму закону термодинамики Gs → min. Это стремление реализуется: а) за счет уменьшения площади поверхности (слияние капель, стремление