Поверхностные явления. Адсорбция

Поверхностные явления (ПЯ) – процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое, и возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз, имеющих различный состав и строение.

Понятие поверхность в коллоидной химии отличается от геометрического.

На границе раздела фаз формируется поверхностный слой – межфазная поверхность, толщиной в один или несколько молекулярных размеров (диаметров). Размер межфазной поверхности в дисперсных системах огромен. Проиллюстрируем это на следующем примере. Пусть дисперсная фаза состоит из куба с длиной ребра 1 см. Суммарная площадь граней составит 6 см². Если этот куб разделить на кубики с длиной ребра 1 мм, то общая площадь поверхности всех кубиков будет равна 60 см², а при длине ребра в 0,1 см общая площадь поверхности станет равной 600 см².  Таким образом, чем больше степень дисперсности (т.е. чем выше раздробленность вещества), тем больше удельная поверхность (суммарная поверхность 1 см³ вещества). 

Причина поверхностных явлений заключается в различие структуры и свойств взаимодействующих фаз. Для молекул находящихся внутри фазы равнодействующая всех межмолекулярных взаимодействий равна нулю. Молекулы поверхностного слоя испытывают притяжение как со стороны молекул «своей» фазы, так и со стороны молекул «другой» фазы. Поэтому для этих молекул равнодействующая сил не равна нулю, а перпендикулярна поверхности раздела и направлена внутрь «своей» фазы. Таким образом, молекулы поверхностного слоя находятся в энергетически нескомпенсированном состоянии, т.е. обладают избыточной потенциальной энергией. 

В системах с избыточной поверхностной энергией могут самопроизвольно протекать процессы понижающие запас этой энергии. Исходя из уравнения это возможно в результате уменьшения либо поверхностного натяжения, либо площади поверхности раздела фаз. Уменьшение поверхностного натяжения возможно за счет притяжения к поверхности молекул из окружающей среды. Стремление к сокращению площади поверхности коллоидных частиц выражается в самопроизвольном слипании мелких частиц в более крупные. Это явление называется коагуляция. В результате коагуляции золь разрушается.

Еще одно явление, связанное с понижением поверхностной энергии – адсорбция – самопроизвольное повышение концентрации вещества на границе раздела фаз. Адсорбция проявляется в поглощении одного вещества (газообразного или жидкого) другим (твердым или жидким). Это процесс чаще всего наблюдается на границе твердое тело/газ или твердое тело/жидкость или жидкость/газ. Примерами адсорбции являются улавливание паров и газов твердыми адсорбентами (активированным углем, силикагелем бентонитом - глина), осветление растворов в производстве сахара, глюкозы, процесс окрашивания волос также основан на адсорбции. Удаление сивушных масел и некоторых ионов в производстве вина, удаление солей кальция из коровьего молока, осветление мясных и рыбных бульонов основано на адсорбции.   

Адсорбция обусловлена наличием адсорбционных сил, имеющих различную природу – межмолекулярные (ванн-дер-ваальсовы) и химические (ионные, ковалентные), и действующих между атомами и молекулами, находящимися на поверхности. 

То вещество, на поверхности которого идет адсорбция называется адсорбентом (поглотителем), а вещество, которое адсорбируется (поглощается) – адсорбтивом. В некоторых случаях поглощение начавшееся на поверхности распространяется вглубь адсорбента. Такое явление называют абсорбцией. Пример абсорбции – поглощение паров воды концентрированной серной кислотой. Если поглощение сопровождается химическим взаимодействием между адсорбентом и адсорбтивом такой процесс называется хемосорбцией. Примером является поглощение углекислого газа или диоксида серы натронной известью (смесью гидроксида натрия и гидроксида кальция), которая поглощая эти газы, химически взаимодействует с ними.

Адсорбция, абсорбция и хемосорбция объединяются общим понятием сорбция. К этой группе процессов относят также капиллярную конденсацию, заключающуюся в поглощении и конденсации твердыми пористыми адсорбентами газов и паров.  Наибольшее значение из всех этих процессов имеет адсорбция.