САМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ
Из химической термодинамики известно, что самопроизвольно протекают только те процессы, которые приводят к уменьшению свободной энергии системы. Если процессы проводятся в условиях постоянства объема и температуры, они должны приводить к уменьшению свободной энергии Гельмгольца (dF < О). Процессы, протекающие при постоянных давлении и температуре, должны сопровождаться уменьшением свободной энергии Гиббса (dG < 0). Если процессы в поверхностном слое не сопровождаются химическими реакциями, состав системы остается постоянным.
Рассмотрим, какие процессы в поверхностном слое отвечают указанным условиям.
Выше отмечалось, что поверхностное натяжение — это свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади межфазной поверхности. Значит, если процесс протекает при постоянстве объема, температуры и не сопровождаются химическими реакциями, то
F = s S1,2. (2.4)
Соответственно для изобарно-изотермических процессов
G = s S1,2. (2.5)
Дифференцируя (2.4) и (2.5), получим:
dF = s ∙dS1,2 + S1,2•ds (2.6)
dG = s ∙dS1,2 + S1 ,2∙ds (2,7)
Условием самопроизвольного протекания как изохорно-изотермических, так и изобарно-изотермических процессов является
|
|
s ∙dS1,2 + S1,2•ds < 0. (2.8)
Для индивидуальных веществ поверхностное натяжение постоянно (s = const, ds = 0). В этих случаях самопроизвольно могут протекать процессы, сопровождающиеся уменьшением площади межфазной поверхности (dS1,2 < 0). 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. Не этим ли объясняется круглая или округлая форма большинства ягод и плодов, форма дождевых капель и градин);
· слипание твердых частиц дисперсной фазы (коагуляция);
· слипание капель в эмульсиях или пузырьков газа в пенах (коалесценция);
· рост кристаллов.
Если площадь межфазной поверхности остается постоянной (S1,2 = const, dS1,2= О), условие (2.8) может выполняться за счет уменьшения поверхностного натяжения (d s < 0), которое может быть обусловлено процессом адсорбции.
АДСОРБЦИЯ
Адсорбция - самопроизвольный процесс увеличения концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с концентрацией в объеме фазы, приводящий к уменьшению поверхностной энергии системы. Если адсорбция происходит на поверхности твердого тела, то тело называют адсорбентом, а поглощенное вещество вне зависимости от агрегатного состояния адсорбента - адсорбатом, или адсорбтивом. Однако основные закономерности адсорбции являются общими для поверхности раздела любых соприкасающихся фаз.
|
|
Более плотную фазу (определяющую форму поверхности) принято называть адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться — адсорбтивом, уже адсорбированное вещество — адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией.
КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АДСОРБЦИИ
Для количественного описания адсорбции применяют три величины.
1. Избыточная или гиббсовская адсорбция (Г i).
Количественно адсорбцию i-го компонента в молях на квадратный метр определяют по выражению
Г i = niS / S = , (2.9)
где niS - число молей адсорбата, перешедшее из объема фазы в поверхностный слой;
S - площадь поверхности раздела фаз;
cbi и ci - молярная концентрация i - гo компонента соответственно в поверхностном слое и в объеме фазы;
Vb - объем поверхностного слоя, который принято считать двухмерным и равным 1 см2;
|
|
S 1,2 - площадь поверхностного слоя.
Учитывая, что молярная концентрация, умноженная на объем, — это количество вещества,
Г i = , моль/дм2 (2.10)
2. Абсолютная адсорбция.
В тех случаях, когда способность вещества к адсорбции резко выражена, и вследствие этого cbi >>и ci и vbi >> vl > адсорбцию характеризуют величиной Аi н называемой абсолютной адсорбцией.
Таким образом:
Возможны случаи не только положительной адсорбции, при которой niS > 0 и, следовательно, Гi > 0 и т i > О, но и отрицательной адсорбции, называемой также десорбцией, когда происходит вытеснение определенных компонентов из поверхностного слоя в объем фазы, в результате чего ni < 0 и, следовательно, Гi < 0 и т i < 0.
Дата добавления: 2022-07-02; просмотров: 77; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!