Поверхностная энергия Гиббса и поверхностное натяжение. Сорбция. Абсорбция. Адсорбция.

Частицы, находящиеся на поверхности каждой фазы, образуют особую поверхностную фазу, свойства которой существенно отличаются от свойств внутренних областей фазы. Частицы, расположенные на поверхности, взаимодействуют как с однородными частицами, так и с частицами другого рода (рисунок 1).

Рисунок 1 – Поверхностный слой вещества в конденсированном состоянии

Следствием этого явления является то, что средняя энергия g_s частицы, находящейся на поверхности раздела фаз, отличается от средней энергии такой же частицы в объеме фазы g_v.. Важной характеристикой поверхностной фазы является поверхностная энергия G_s – разность средней энергии частицы, находящейся на поверхности, и частицы, находящейся в объеме фазы, умноженная на число частиц на поверхности N:

G_s=N(g_s-g_v)

Под поверхностной энергией понимается энергия Гиббса (G_s) - образования поверхности. Она равна произведению удельной поверхностной энергии σ на площадь поверхности раздела фаз S:

G_s=σ×S
Удельная поверхностная энергия (Дж/м²) равна работе, необходимой для образования единицы площади свободной поверхности.

Удельная поверхностная энергия определяется природой того или иного вещества. Чем выше энергия взаимодействия между частицами вещества, тем выше удельная поверхностная энергия. С увеличением температуры удельная поверхностная энергия уменьшается. Вблизи критической температуры поверхностное натяжение равно нулю.

Термин поверхностная энергия применяется к границе раздела газ – твердое тело. Для границы раздела конденсированных фаз (жидкость − жидкость, жидкость − твердое вещество) применяют термин межфазная энергия. Для границы раздела фаз жидкость − газ (пар) обычно используют термин удельная поверхностная энергия, называемая поверхностным натяжением.
Поверхностное натяжение σ − важнейшая термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз, определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как работу, необходимую для увеличения единицы длины контура свободной поверхности:

G_s=σ×ΔL

где ΔL – увеличение длины контура свободной поверхности, м;

σ – поверхностное натяжение, н/м.

Благодаря поверхностному натяжению жидкость при отсутствии внешних силовых воздействий принимает форму шара, отвечающую минимальной величине поверхности и, следовательно, наименьшему значению свободной поверхностной энергии.

Одним из путей понижения свободной поверхностной энергии является сорбция.
Сорбция (от лат. sorbeo – поглощаю) − поглощение твёрдым телом или жидкостью вещества из окружающей среды. Поглощающее тело называется сорбентом, поглощаемое им вещество − сорбатом (или сорбтивом). Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента − это абсорбция; поверхностным слоем твёрдого или жидкого сорбента − это адсорбция.

Абсорбция − поглощение веществ из газовой смеси жидкостями. В технике абсорбция обычно пользуется для извлечения из газовой смеси какого-либо компонента. Абсорбция улучшается с повышением давления и понижением температуры.

Адсорбция − процесс концентрирования вещества из объема фаз на границе их раздела.

Адсорбент – вещество, способное адсорбировать другое вещество. Адсорбтив – вещество, которое может адсорбироваться. Адсорбат – адсорбированное вещество.

Процесс адсорбции является избирательным и обратимым.

Адсорбция из растворов на твердом теле (имеющая поверхность раздела) бывает двух видов:

1. Молекулярная – адсорбция из растворов молекул слабых электролитов.

2. Ионная – это адсорбция из растворов ионов.
Десорбция − удаление адсорбированного вещества с поверхности адсорбента. Десорбция обратна адсорбции и происходит при уменьшении концентрации адсорбируемого вещества в среде, окружающей адсорбент.

Адсорбция газов на неподвижных границах раздела фаз. Уравнение Ленгмюра. Адсорбция из растворов на твердых адсорбентах. Зависимость величины адсорбции от различных факторов. Ионобменная адсорбция. Адсорбция на подвижной поверхности раздела фаз. Физическая адсорбция и хемосорбция.

Адсорбция происходит на границе раздела следующих фаз:

· твёрдое тело – газ;

· твёрдое тело – раствор;

· раствор – газ.