Физико-химия дисперсных систем

Лекция 2. Капиллярные явления.

Методы определения поверхностного натяжения

Капиллярные явления

Поверхностные явления в дисперсных системах

3

1 – адгезия и смачивание 2 – капиллярные явления 3 – электрические явления 4 – адсорбция 5 – изменение реакционной способности вещества при диспергировании

Кривизна поверхности (С)

4

s – площадь поверхности

V – объем

Кривизна сферической частицы

5

r – радиус частицы

Кривизна межфазной границы и давление

6

давление непосредственно под выпуклой поверхностью жидкости больше давления под плоской поверхностью жидкости, а давление под вогнутой поверхностью жидкости меньше давления, чем под плоской поверхностью

Капиллярное давление

это разность давлений в двух объемных фазах, разделенных искривленной поверхностью

капиллярное давление всегда направлено к центру кривизны, стремясь «распрямить» поверхность

7

Вывод закона Лапласа

8

Закон Лапласа для сферических частиц и капилляров

9

Pк = 2/r

Капиллярные эффекты

Смачивание ( < /2) Несмачивание ( > /2)

Капиллярные эффекты: примеры

поднятие грунтовых вод в почва

обеспечивает существование растительного покрова Земли

пропитка бумаги и тканей

поднятие жидкости в порах

водонепроницаемость тканей

ткани пропитывают веществами, которые вода не смачивает

питание растений

подъем воды из почвы по волокнам древесины

11

Формула Жюрена

Реакционная способность вещества в дисперсном состоянии

Кривизна поверхности

и реакционная способность вещества

Термодинамическая реакционная способность

характеризует способность вещества переходить в новое состояние: вступать в химическую реакцию или переходить в новую фазу

Изотермический процесс

Пример 1. Переход вещества из конденсированной фазы в газообразную. Капиллярная конденсация

Дополнительное изменение энергии Гиббса

Уравнение Томсона (Кельвина)

Если кривизна поверхности отрицательна, то давление насыщенного пара над искривленной поверхностью меньше, чем над плоской

Пример 1. Переход вещества из конденсированной фазы в газообразную. Капиллярная конденсация

Уравнение Томсона (Кельвина)

Капиллярная конденсация – это конденсация в тонких смачиваемых капиллярах при давлении пара ниже давления насыщенного пара данной жидкости над плоской поверхностью

Капиллярная конденсация: примеры

существенное повышение поглотительной способности пористых адсорбентов

это используется для рекуперации (возвращения в производство) летучих растворителей

питание растений, особенно в засушливых районах

конденсация влаги на вогнутых менисках в порах почвы и листьев растений может происходить при относительной влажности меньше 100% и приводит к образованию росы и увлажнению почвы при охлаждении (ночью)

17

Пример 2. Изотермическая перегонка

Уравнение Томсона (Кельвина)

Изотермическая перегонка – это явление испарения малых капель и конденсация пара на более крупных частицах, а также на плоской поверхности

Изотермическая перегонка: примеры

формирование дождя

в атмосфере капельки воды, образующие облака, укрупняются и образуют капли дождя

искусственное дождевание

для облегчения конденсации пара в облаках распыляют частицы твердой фазы (например, кристаллики AgI)

Пар конденсируется на плоских гранях, образуя устойчивые жидкие пленки, на которых идет дальнейшая конденсация и образуются крупные капли

19

Вопрос

Почему количество осадков над крупными промышленными городами превышает среднее для данной местности значение?

20

Пример 2. Кривизна и растворимость твердых тел

растворение кристалла рассматривается подобно испарению жидкости

уравнение Гиббса – Фрейндлиха – Оствальда

Рекристаллизация кристаллов

самопроизвольное укрупнение частиц кристаллических осадков за счет диффузионного переноса вещества от малых кристаллов к большим

22

Рекристаллизация: примеры практически нерастворимые вещества в высокодисперсном

состоянии благодаря повышению растворимости обнаруживают характерную для них биологическую активность

серебро проявляет сильное бактерицидное действие в коллоидно-дисперсном состоянии (препараты колларгол, протаргол)

коллоидно-дисперсный сульфат бария весьма ядовит, а в виде кристаллического порошка безвреден и применяется при рентгеноскопии желудка

формирование рудных месторождений некоторых металлов (Cu, Zn, Cd и др.)

образующиеся в глубине земной коры при высоких Т и Р гидротермальные растворы оксидов или сульфидов этих металлов при выходе ближе к поверхности становятся пересыщенными, и протекание таких растворов через участки, где имеются зерна рудных тел, приводит к росту зерен.

23

Кривизна поверхности

и температура фазовых переходов

Термодинамическая реакционная способность

характеризует способность вещества переходить в новое состояние: вступать в химическую реакцию или переходить в новую фазу

Изменение температуры фазового перехода

Тr – температура фазового

превращения вещества в виде

частиц с размером r

Т – та же температура для

вещества в виде макрофазы

температура плавления и

испарения (∆Н> 0) при уменьшении

размера частиц понижается

25

Кривизна поверхности

и химическая активность вещества

Увеличение кривизны поверхности => увеличение дисперсности => рост химической активности вещества

Взрывоопасные взвеси измельченных до пылевидного состояния тел (угольная пыль, мука, алюминиевая пудра и др.)

Пирофоры – металлы (Fe, Co, Ni и др.) в высокодисперсном состоянии, способные к самовозгоранию на воздухе.

Некоторые химические реакции, невозможные между макротелами, могут протекать в коллоидно-дисперсных системах

Причины увеличение химической активности при диспергировании

1

• резкое увеличение доли разорванных химических связей вещества при образовании поверхности раздела в результате диспергирования

2 • повышение химического потенциала вещества в

диспергированном состоянии

3 • сдвиг химического равновесия

27

Методы определения поверхностного натяжения и поверхностной энергии

Метод капиллярного поднятия

Статический метод

Основан на изучении устойчивого равновесного состояния, к которому самопроизвольно приходит изучаемая система

Базируется на использовании формулы Жюрена

Сталагмометрический метод

Полустатический метод

Основан на изучении НЕустойчивого равновесного состояния, к которому самопроизвольно приходит изучаемая система

Изучаются условия, при которых система теряет свое равновесие

Метод нулевой ползучести

Динамический метод

Основан на изучении существенно неравновесного состояния поверхностного слоя