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:

[math]\displaystyle{ dG = -SdT + VdP + \underline{\sigma ds} + \Sigma \mu_i dn_i + \varphi dq }[/math]

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 микроскопического масштаба, 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 полимеризацию на границе фаз.

Структура воды, контактирующей с «расширенными» гидрофобными поверхностями, которые возникают на границе раздела, например, в эмульсии гексана, сильно отличается от структуры гидратационной оболочки 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 органические реакции на водных поверхностях ускоряются в сотни раз.

Водная поверхность в коллоидах может иметь кластерную структуру, состоящую из нескольких водных слоёв.

См. также

• Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко

Литература

• Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. — ООО ТИД "Альянс", 2004. — 464 с. — ISBN 5-98535-003-7.
• 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, V. M. Gun’ko (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 // Journal of the American Chemical Society. — 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.] // Journal of Physical Chemistry C. — 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, G. L. Richmond // Accounts of Chemical Research. — 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.] // Advances in Colloid and Interface Science. — 1998. — Vol. 74, no. 1-3. — P. 74-77. — doi:10.1016/S0001-8686(97)00040-7.