Поверхностные явления

Пове́рхностные явле́ния — совокупность явлений, обусловленных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкосновения фаз. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряжённых фаз.

Поверхностные явления обусловлены тем, что в поверхностных слоях на межфазных границах вследствие различного состава и строения соприкасающихся фаз и соответственно из-за различия в связях поверхностных атомов и молекул со стороны разных фаз существует ненасыщенное поле межатомных, межмолекулярных сил. Вследствие этого атомы и молекулы в поверхностных слоях образуют особую структуру, а вещество принимает особое состояние, отличающееся от его состояния в объеме фаз различными свойствами. Поверхностные явления изучаются коллоидной химией.

Классификация поверхностных явлений

Поверхностные явления принято классифицировать в соответствии с объединенным уравнением (первого) и второго начал термодинамики, в которое входят основные виды энергии. Для любой гетерогенной системы его можно записать в следующем виде:

${\displaystyle dG=-SdT+VdP+{\underline {\sigma ds}}+\Sigma \mu _{i}dn_{i}+\varphi dq}$

Это уравнение показывает приращение (энергии Гиббса) через алгебраическую сумму приращений других видов энергии. Очевидно, что поверхностная энергия способна переходить в следующие виды энергии:

• Энергия Гиббса
• Теплота
• Химическая энергия
• Механическая энергия
• Электрическая энергия

Превращение поверхностной энергии в один из перечисленных видов энергии соответствует определенным поверхностным явлениям, таким как изменение реакционной способности при изменении (дисперсности), адгезия и смачивание, капиллярность, адсорбция, электрические явления.

Значение поверхностных явлений

Поверхностные явления широко распространены в (химической технологии). Практически любое химическое производство осуществляется с применением дисперсных систем и поверхностных явлений. Как правило, все (гетерогенные) процессы в химической технологии проводят при максимальной поверхности контакта фаз. Для этого системы вещества переводят в состояние суспензий, порошков, эмульсий, туманов, пылей. Процессы измельчения сырья и промежуточных продуктов, обогащение протекают в дисперсных системах, значительную роль в них играют такие явления как смачивание, капиллярность, адсорбция, (седиментация), (коагуляция). Широко распространены в химической технологии пористые адсорбенты и катализаторы, представляющие собой дисперсную систему с твердой дисперсионной средой.

Закономерности протекания поверхностных явлений, в частности структурообразования, служат теоретической основой получения материалов с заданными свойствами: керамики, цементов, ситаллов, сорбентов, катализаторов, полимеров, порохов, лекарственных средств и т. п.

Явления на водных поверхностях

Существует отчётливый контраст между простотой раздела поверхностей «масло-вода» при визуальном осмотре и его сложностью на уровне ^[англ.], которая проявляется в молекулярной структуре границы и в динамике её водородных связей. Огромный объём работ, начиная с Пуассона и Максвелла, был посвящён вопросам изучения структуры воды и её (реакционной способности) на границе раздела, однако из-за скандала с (поливодой) тема структуры воды испытала спад научной активности.

Поверхностные явления на границе «масло-вода» лежат в основе ряда важных химических, физических и биологических процессов, включая образование (мицелл) и (мембран), (сворачивание белка), (химическое разделение), нефтедобычу, формирование наночастиц и ^[англ.].

Структура воды, контактирующей с «расширенными» гидрофобными поверхностями, которые возникают на границе раздела, например, в эмульсии гексана, сильно отличается от структуры ^[англ.] простых растворённых веществ, таких как метан. В гомогенном растворе метана молекулы водной оболочки ориентированы по (касательной) к сфере молекулы метана; в то время как в эмульсии гексана около 25 % поверхностных молекул воды теряют одну водородную связь, а возникающие при этом свободные группы OH проникают в (мицеллу) гексана. Согласно гипотезе химиков Ю. Чона и (Р. А. Маркуса), наличие свободных групп OH является причиной, по которой некоторые ^[англ.]ускоряются в сотни раз.

Водная поверхность в (коллоидах) может иметь (кластерную структуру), состоящую из нескольких ^[англ.].

См. также

• (Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко)

Примечания

1. Biletskyi, V.,Shendrik,T.,Sergeev,P.Derivatography as the method of water structure studying on solid mineral surface.//London-2012.Geomechanical Processes During Underground Mining - Proceedings of the School of Underground Mining , pp. 181.  (неопр.) Дата обращения: 1 декабря 2015. 8 декабря 2015 года.
2. McFearin, Beaman, Moore et al., 2009.
3. Vogler, 1998.
4. Moore, Richmond, 2008.
5. Jung, Marcus, 2007.
6. Chaplin, 2006.

Литература

• Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. — ООО ТИД "Альянс", 2004. — 464 с. — .
• (Киселёв В. Ф.) Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках. — Наука, 1970. — 399 с.
• Chaplin, M. Water structuring at colloidal surfaces // Surface Chemistry in Biomedical and Environmental Science : [англ.] / J. P. Blitz, (Eds.). — (Springer Netherlands), 2006. — P. 1-10. — doi:10.1007/1-4020-4741-X_1.
• Jung, Y. On the theory of organic catalysis “on water” : [англ.] / Y. Jung, (R. A. Marcus) // ^[англ.]. — 2007. — Vol. 129, no. 17. — P. 5492-5502. — doi:10.1021/ja068120f.
• McFearin, C. L. From Franklin to today: Toward a molecular level understanding of bonding and adsorption at the oil-water interface : [англ.] / C. L. McFearin, D. K. Beaman, F. G. Moore [et al.] // ^[англ.]. — 2009. — Vol. 113, no. 4. — P. 1171-1188. — doi:10.1021/jp808212m.
• Moore, F. G. Integration or segregation: How do molecules behave at oil/water interfaces? : [англ.] / F. G. Moore, ^[англ.] // ^[англ.]. — 2008. — Vol. 41, no. 6. — P. 739-748. — doi:10.1021/ar7002732.
• Vogler, E. A. A brief history of water structure and reactivity at surfaces. — In: Structure and reactivity of water at biomaterial surfaces : [англ.] // ^[англ.]. — 1998. — Vol. 74, no. 1-3. — P. 74-77. — doi:10.1016/S0001-8686(97)00040-7.