Природа поверхностной энергии

ПРИРОДА ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ [c.15]

При низких температурах эффективны механизмы, основанные на скольжении дислокаций, которое может облегчаться в присутствии поверхностно-активных сред. Теория адсорбционного пластифицирования [291] объяснила эти эффекты на основе представлений о снижении потенциального барьера, препятствующего выходу дислокаций на поверхность с образованием на поверхности ступеньки, и об облегчении начала работы приповерхностных источников дислокаций благодаря снижению свободной поверхностной энергии. Это дает возможность ориентировочно оценить те условия, в которых аналогичные эффекты могут иметь место в природе. Это та область режимов деформации, когда в наборе активационных энергий- преобладают компоненты, связанные с поверхностным барьером [255],. равным Ь а, где Ь — вектор Бюргерса и о — свободная поверхностная энергия минерала. В этом случае отношение скоростей деформации в присутствии активной среды и на воздухе равно [c.88]

Во многих аналогичных ситуациях, когда прочность твердых тел различной природы, контактирующих с теми или иными средами, оказывается пониженной, эта объясняется уменьшением поверхностной энергии твердого тела в результате адсорбции, хемосорбции, смачивания и других физико-химических взаимодействий [254]. Такой подход, впервые предложенный П. А. Ребиндером, оказывается весьма плодотворным и при описании геологических процессов. Однако сложность природных систем и недоступность большинства из них. прямому наблюдению требует большой осторожности в выводах и тщательного учета всех взаимосвязанных факторов, от которых зависит возможность эффекта и степень его проявления. К этим факторам относятся химический состав твердого тела и среды, определяющий характер межатомных взаимодействий реальная структура (дефектность) твердого тела условия деформирования. [c.92]

Результаты этих расчетов представлены на рис. 6.10 (кривая /). Максимальные значения к близки по порядку величины к толщинам адсорбционных а-пленок воды на поверхности кварца при комнатной температуре [42]. При понижении температуры толщина пленок уменьшается, составляя л 1,5нм при —6°С. Вид температурной зависимости к(1) хорошо согласуется с полученной ранее в работе [315] температурной зависимостью толщины незамерзающих прослоек воды между поверхностью льда и частицами аэросила (кривая 2). Количественное сопоставление кривых / и 2 не имеет смысла, поскольку они относятся к различным системам в первом случае — к незамерзающим адсорбционным пленкам, граничащим с газом, и во втором — к незамерзающим прослойкам между льдом и твердой поверхностью частиц. Еще более высокие значения/г были получены для пленок воды на поверхности льда [308]. Их толщина составляет около 5,0 нм при —6°С, возрастая до 10,0 нм при повышении температуры до —1 °С. Таким образом, толщина незамерзающих слоев воды существенным образом зависит от того, в контакте с какими фазами они находятся, т. е. от природы поверхностных сил, энергии связи и способа ориентации молекул воды вблизи различных поверхностей. [c.115]

Можно ожидать, что силы притяжения при отрицательной сольватации будут действовать на таких же расстояниях, как и силы положительного расклинивающего давления при положительной сольватации, так как природа их одинакова. Наличие свободной поверхностной энергии должно определять устойчивость не только как термодинамический фактор, обуславливающий принципиальную неустойчивость лиофобных коллоидных систем, но и как активная движущая сила процесса сближения частиц. [c.8]

В результате контакта твердое тело (фаза) —среда (газ, жидкость) формируется продукт взаимодействия двух фаз — межфаз-иый продукт (МФП). Природа и прочность связей в МФП и в объеме твердого тела, а также внешние условия (температура, длительность, давление) определяют равновесие, кинетику процессов, осуществляемых на межфазной границе, и свойства всей системы в целом. Баланс сил взаимодействия между адсорбентом и средой зависит от поверхностной энергии адсорбента и растворяющей силы среды, обусловливающих физические или химические явления на межфазной границе. [c.56]

Химические превращения в НДС в определенной степени обусловлены физическими процессами, происходящими на поверхности ядра ССЕ. Ю. С, Липатовым и его школой [124] показано экстремальное изменение толщины адсорбционно-сольватного слоя эпоксидной с.молы ЭД-5 в растворе диметилформамида на поверхности частиц стеклянного порошка. Динамика толщины адсорбционно-сольватного слоя в зависимости от внешних воздействий находится в согласии с теоретическими выводами, изложенными на стр. 109. Адсорбционно-сольватный слой, как реально существующий объект, обладает толщиной и характеризуется поверхностной энергией, значение которой в зависимости от природы веществ и толщины слоя может колебаться и широких пределах. Под действием поверхностной энергии ад- [c.151]

Монокристаллическое состояние веществ в природе встречается довольно редко. Сейчас разработаны методы получения монокристаллов многих веществ, особенно металлов и оксидов. Их строение отличается дальним порядком, заключающимся в строго определенном расположении атомов или молекул по всему монокристаллу. Регулярное строение часто обусловливает наличие в кристаллах плоскостей спайности (между гранями с наименьшей поверхностной энергией), в которых действуют значительно меньшие [c.382]

Из элементарных курсов общей химии и физики известно, что вследствие сильно развитой межфазной поверхности гетерогенные дисперсные системы обладают большим избытком свободной поверхностной энергии и, следовательно, являются в принципе неустойчивыми. Позднее мы еще обсудим этот вопрос и покажем, что данное утверждение, которое во многих случаях не вызывает возражений, не настолько правильно, чтобы его абсолютизировать. Возникает вопрос, в какой мере законно применение термодинамических зависимостей к фазовым равновесиям в подобных системах. Гетерогенная дисперсная система может приобретать за счет замедляющих кинетику факторов известную устойчивость, позволяющую ей существовать в дисперсном состоянии достаточно долгое время. В течение этого времени вследствие молекулярного переноса (например, благодаря диффузии) устанавливается такое распределение ее компонентов в объеме и около межфазной поверхности, которое практически соответствует равновесию. Очевидно, что возникающее при этом состояние можно анализировать на основе соответствующих термодинамических представлений. В дальнейшем при рассмотрении вопроса об устойчивости лиофобных коллоидов мы увидим, что такая устойчивость действительно существует и именно этим объясняется широкое распространение подобных систем в природе и технике. Если какая-либо жидкость диспергирована в газе или п другой жидкости, то состояние относительного равновесия, о котором мы говорили выше, придает частицам термодинамически устойчивую форму — форму с наименьшей поверхностью, которая в простейшем случае является сферической. Не будем приводить других аргументов в пользу приложимости термодинамики равновесных систем к дисперсным гетерогенным системам и перейдем к рассмотрению самой термодинамики гетерогенных систем. [c.75]

Как уже указывалось, теория эмульсий и их устойчивости разработана хуже, чем теория пен. Одна из первых гипотез, распространявшаяся также и на природу устойчивости пен, состояла в том, что необходимым условием устойчивости эмульсии является достаточно низкое поверхностное натяжение на межфазной границе. Тогда избыток поверхностной энергии в дисперсной системе мал, и термодинамический фактор, стремящийся уменьшить энергию системы, т. е. ее общую поверхность или дисперсность, также невелик. Эти представления, объясняющие устойчивость дисперсных систем с точки зрения элементарной термодинамики, оказались совершенно неприемлемыми для теории пен, и поэтому в разделе пен они не рассматривались. В случае же эмульсий для их использования имеется больше оснований, поскольку поверхност- [c.243]

Рассмотрим теперь адсорбционное (в отсутствие коррозии или растворения) влияние среды и ПАВ на механические свойства компактного материала — моно- или поликристаллического либо аморфного твердого тела. Это явление было открыто П. А. Ребиндером на кристаллах кальцита (1928 г.) и получило название эффекта Ребиндера. Очень характерно его проявление на ряде пластичных металлов. Так, будучи весьма пластичными по своей природе, монокристаллы цинка под действием микронной ртутной пленки или же массивные цинковые пластины при нанесении капли жидкого галлия или ртути хрупко ломаются уже при очень малых нагрузках (рис. 6). По Ребиндеру, общее термодинамическое объяснение таких явлений состоит в резком понижении поверхностной энергии о и тем самым работы разрушения вследствие адсорбции из окружающей среды (или контакта с родственной жидкой фазой). Одной из наиболее универсальных и вместе с тем простых моделей, связывающих прочность материала Рс с величиной ст, служит схема Гриффитса, являющаяся по сути приложением теории зародышеобразования к решению вопроса об устойчивости трещины и устанавливающая пропорциональность Рс ст . [c.312]

Избыток энергии молекул поверхности тела называется поверхностной энергией. Последняя зависит от природы вещества соприкасающейся с ним среды, температуры и площади поверхности соприкосновения. Избыточная энергия молекул поверхности площадью 1 м называется удельной поверхностной энергией или коэффициентом поверхностного натяжения. [c.30]

Любая жидкость всегда стремится принять такую форму, при которой ее поверхность при данном объеме будет наименьшей. Такому условию удовлетворяет геометрическая фигура — шар (опыты 2 и 3). Происходит это потому, что поверхностный слой жидкости по своим физикохимическим свойствам отличается от внутренних слоев. Наличие на поверхности жидкости молекул, имеющих часть ненасыщенных, неиспользованных сил сцепления, является источником. избыточной поверхностной энергии, которая также стремится к уменьшению. На поверхности жидкости как бы образуется пленка, которая обладает поверхностным натяжением (опыты 4 и 5). Причем поверхностное натяжение зависит как от природы самой жидкости, так и от природы растворенного вещества (опыт 6). [c.19]

Все жидкости и твердые тела ограничены внешней поверхностью, на которой они соприкасаются с фазами другого состава и структуры, например, с паром, другой жидкостью или твердым телом. Свойства вещества в этой межфазной поверхности, толщиной в несколько поперечников с1,томов или молекул, отличаются от свойств внутри объема фазы. Внутри объема чистого вещества в твердом, жидком или газообразном состоянии любая молекула окружена себе подобными молекулами. В пограничном слое молекулы находятся во взаимодействии или с разным числом молекул (например, на г])анице жидкости или твердого тела с их паром), или с молекулами различной химической природы (например, на границе двух взаимно малорастворимых жидкостей). Чем больше различие в напряженности межмолекулярных сил, действующих в каждой из фаз, тем больше потенциальная энергия межфазовой поверхности, кратко называемая поверхностной энергией. [c.292]

Тем не менее в большинстве случаев природу явления можно тан ить, исследовав величину теплового эффекта процесса. При уменьшении свободной поверхностной энергии в процессе адсорбции выделяется теплота адсорбции . Очевидно, что в процессе хемосорбции выделяется значительно большее количество тепла, чем в процессе физической адсорбции. В первом случае теплота адсорбции по порядку величины близка к теплоте химических реакций, во втором — к теплоте конденсации. Существуют и другие, менее общие признаки различия, например характер изотерм, кинетика процесса, его обратимость и др. [c.106]

Образование аэрозолей связано с увеличением поверхностной энергии и соответственно преодолением значительного энергетического барьера. Поэтому при их образовании конденсационным методом необходимы значительные пересыщения (неравновесность). В этих условиях получаются аэрозоли прямой конденсацией паров. Таким образом, в частности, образуются туманы в природе. Образование аэрозолей облегчается при наличии в системе зародышей — ядер конденсации. Такими зародышами в воздухе могут быть кристаллики хлорида натрия, ультрамикроскопические пылинки. Аэрозоли молено получить дроблением твердых веществ или распылением жидкостей они образуются также в результате взрывов. [c.457]

Другие рассмотренные ниже виды адсорбции относят к физической адсорбции, которая протекает под действием сил Ван-дер-Ваальса адгезионного характера. Физическая адсорбция является обратимым экзотермическим процессом при повышении температуры адсорбция уменьшается, а десорбция усиливается. Теплоты физической адсорбции невелики и обычно составляют 8— 20 кДж/моль. Физическая адсорбция не носит специфического избирательного характера. Хемосорбция, напротив, специфична. Она зависит как от природы адсорбента, так и от природы адсорбата. Энергия связи адсорбент — адсорбат достаточно велика и примерно равна теплоте образования химических соединений (80—800 кДж/моль). С повышением температуры хемосорбция возрастает, подчиняясь законам химической кинетики и равновесия гетерогенных реакций. Хемосорбция часто необратима и приводит к образованию прочных поверхностных соединений между адсорбентом и адсорбатом. [c.328]

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЕЕ ПРИРОДА [c.21]

Наиболее важным и своеобразным является адсорбционное понижение прочности твердых тел, т. е. облегчение их диспергирования под действием внешних сил влиянием адсорбирующихся веществ. При этом новые поверхности развиваются иа основе разных поверхностных дефектов — изъянов структуры, развитие поверхностей облегчается адсорбцией. Предельным случаем является адсорбционное самопроизвольное диспергирование вследствие понижения поверхностной энергии до очень малых значений под влиянием поверхностно-активной среды. Именно такова природа самопроизвольного эмульгирования под влиянием больших добавок поверхностно-активных веществ и распускания (коллоидного растворения) бентонитовых глин в воде. Пептизация является диспергированием коагуляционных агрегатов, которые слабо связаны силами Ван дер-Ваальса и поэтому легко распадаются на отдельные первичные частички под влиянием адсорбции. [c.67]

Научное исследование столь распространенного в природе и практике явления — понижения прочности твердых тел под влиянием активной среды Ребиндер начал в 1928 г. Он установил, что прочность кальцита и каменной соли сильно понижается, если их испытывать в водных растворах поверхностно-активных веществ. Ребиндер предположил, что в основе этого и подобных ему явлений лежит понижение свободной поверхностной энергии, т. е. работы образования новых поверхностей. Тогда же было экспериментально показано, что в соответствии с общими термодинамическими представлениями Гиббса, [c.218]

Движущей силой агломерации является стремление дисперсной системы уменьшить свою поверхностную энергию Гиббса и перейти к более устойчивому состоянию. Но если при адсорбции молекул извне поверхностная энергия системы уменьшается вследствие понижения удельной энергии Гиббса, то в рассматриваемом случае основной причиной понижения поверхностной энергии системы является уменьшение свободной поверхности зерен за счет возникновения контактов между ними. Поэтому агломерация возникает самопроизвольно, обусловливая слипание частиц друг с другом при хранении материалов и налипание их на мелющие тела. Очевидно, что с увеличением значения а (зависимости от природы вещества, строения его кристаллической решетки) и увеличением свободной поверхности 5 твердой фазы дисперсной системы сильнее выражена тенденция порошка к агломерации. [c.298]

Эта группа методов объединяет прежде всего механические способы, в которых преодоление межмолекулярных сил и накопление свободной поверхностной энергии в процессе диспергирования происходит за счет внешней механической работы над системой. В результате твердые тела раздавливаются, истираются, дробятся или расщепляются, причем характерно это не только для лабораторных или промышленных условий, но и для процессов диспергирования, происходящих в природе. В последних дисперсные системы образуются в результате дробления и истирания твердых пород под действием сил прибоя в приливно-отливных явлениях при разрушении и истирании подлежащих пород ледниками и водами в процессах выветривания и выщелачивания (где присоединяется и химическое воздействие), а также в результате раскалывания по трещинам при замерзании воды. [c.20]

Таким образом, задача заключается в экспериментальном определении Qa = —А.и и сравнении этой величины с вычисленной на основе того или иного представления о природе поверхностных сил. Процесс адсорбции, как правило, экзотермичен, поскольку и свободная энергия (в самопроизвольном процессе), и энтропия в поверхностном слое (в результате упорядочения) обычно уменьшается и и = АР + ТА8 С 0. Для измерения Qa, в принципе, применим калориметрический метод на практике обычно используют калориметры изотермического и адиабатического типов. [c.111]

Для лиофобных систем характерны механические способы, в которых преодоление межмолекулярных сил и накопление свободной поверхностной энергии в процессе диспергирования происходят при совершении внешней механической работы над системой . В результате твердые тела раздавливаются, истираются, дробятся или расщепляются, причем характерно это не только для лабораторных или производственных установок, но и для процессов диспергирования, происходящих в природе. [c.23]

Наряду с генерированием тепла при трении имеются и другие превращения энергии возбуждение электрических и магнитных полей, образование термотоков, появление звуковых колебаний. Однако их энергоемкость мала. В зависимостн от условий трения преобразование энергии имеет разную природу, а энергия может концентрироваться в различных частях трибосистемы. Так, если при жидкостном (гидродинамическом) трении энергетические преобразования сосредоточены в слое смазки, то в условиях граничного трения они протекают в тонких поверхностных слоях смазочного материала и тончайших (толщина 10- —10 см) слоях металла. Их сочетание играет роль третьего тела в трибосопряжении. [c.248]

Эмульсии относятся к микрогетерогенным системам, частицы которых видны в обычный оптический микроскоп, а коллоидные растворы принадлежат к ультрамикрогетерогенным системам, их частицы не видны в обычный микроскоп. Хотя по своей природе эти системы близки, но физико-химические их свойства различны и зависят в значительной степени от дисперсности. При образовании эмульсии образуется огромная поверхность дисперсной фазы. Так, количество глобул воды в одном литре 1%-ной высокодисперсной эмульсии исчисляется триллионами, а общая межфазная площадь поверхности — десятками квадратных метров. На такой огромной межфазной поверхности может адсорбироваться большое количество веществ, стабилизирующих эмульсию. В процессе образования эмульсии на хщспергирование жидкости затрачивается определенная работа и на поверхности раздела фаз концентрируется свободная поверхностная энергия — избыток энергии, содержащейся в поверхностном слое (на границе двух соприкасающихся фаз). Энергия, затраченная на образование единицы межфазной поверхности, называется межфазным поверхностным натяжением. Удельная поверхностная энергия измеряется работой изотермического и обратимого процесса образования единицы поверхности поверхностного слоя и обозначается а. [c.15]

Данные табл. И. 4 подтверждают сказанное. Если сравнить внутреннюю (полную) поверхностную энергию жидкостей, молекулы которых имеют углеводородные радикалы и разные функциональные группы, то обращает на себя внимание тот факт, что все они имеют близкие значения этой энергии, колеблющиеся около значения 50-10- Дж/м Это объясняется тем, что их поверхности имеют одинаковую природу, определяемую углеводородным радикалом. Для обеспечения минимальной поверхностной энергии молекулы на поверхности ориентируются таким образом, что радикалы находятся на поверхности, а функциональная группа внутри фазы. Ориентирование поверхностных молекул, безусловно, снижает энтропийную составляющую внутренней энергии поверхностного слоя, так как обеспечивает определенную унорядоченность [c.31]

Адсорбцию можио рассматривать как взаимодействие молекул адсорбата с активными центрами поверхности адсорбента. Такое рассмотрение этого явления оказалось достаточно общим и удобным, особенно для адсорбции на твердых адсорбентах, когда возникают трудности в экспериментальном определении межфазного натяжения. Кроме того, такая интерпретация адсорбции открывает возможность нсслелвдвания природы адсорбционного взаимодействия. Если отсутствует химическое взаимодействие адсорбата с адсорбентом, то адсорбция, как правило, является результатом самопроизвольного уменьшения поверхностной энергии системы, выражающегося в компенсировании поля поверхностных сил. При наличии специфического сродства адсорбата к адсорбенту, адсорбция возможна вследствие самопроизвольного уменьшения энергии Гиббса всей системы, что может привести даже к увеличению поверхностной энергии. Это возможно в том случае, если изменение химической составляющей энергии Гиббса системы больше изменения поверхностной энергии. При химической адсорбции между адсорбентом и адсорбатом образуется химическая связь, и их индивидуальность исчезает. [c.108]

При сближении двух тел до расстояний, сопоставимых с дальностью действия межмолекулярных сил, между ними возникают поверхностные силы взаимодействия, которые действуют лишь в сфере молекулярного поля и на расстояниях от поверхности раздела, превышающих радиус этой сферы, равны нулю. Эти силы, являющиеся следствием ненасыщенности межмолекулярных сил на поверхности фаз и зависящие от природы когезионных сил в фазах, всегда выступают как силы притяжения. Ненасыщен-ность межмолекулярного взаимодействия на внешней поверхности частицы приводит к образованию избыточной поверхностной энергии между фазами. Наличие определенного избытка свободной энергии, сосредоточенной в поверхностньге слоях на границе раздела фаз и пропорциональной этой поверхности, обусловливает стремление любых дисперсных систем занять минимальную поверхность раздела фаз. Следствием такого свойства дисперсных систем является стремление в изотермических условиях жидких частиц к коалесценции и твердых частиц к агрегированию, сопровождающихся понижением свободной поверхностной энергии пропорционально убыли поверхности. Термодинамически поверхностную энергию можно характеризовать через уравнение для внутренней энергии и=Р+Тз. Применительно к процессу образования новой поверхности и есть поверхностная энергия, Р - свободная энергия образования поверхности и Тз - тепловой эффект процесса, где 8 = с1Р МТ - температурный коэффициент свободной энергии образования поверхности. Известно, что внутренняя энергия системы является результатом взаимодействия частиц и их кинетической энергии. В изотермических процессах определяемая температурой кинетическая энергия частиц остается постоянной, поэтому все изменения внутренней [c.93]

Работа адгезии при смачивании твердых тел обычно положительна, так как между телами любой природы всегда действуют силы притяжения. В зависимости от взаимодействия на межфазной границе значение может колебаться от 1 до 0. При экспериментальном сопоставлении олеофильности материалов в присутствии углеводородной жидкости, когда постоянная величина, os9, следовательно, и Za будут однозначно определяться поверхностной энергией материала. Поэтому более высокое значение Zj будет соответствовать большей олеофильности материала и в соответствии с уравнением (2.28) будет означать более высокую вероятность его парафинизации в условиях эксплуатации. [c.100]

При высокой шероховатости истинная поверхность контакта будет существенно превышать номинальную и определяющим фактором запарафинирования окажется величина поверхности контакта фаз, а не природа поверхности подложки. Поэтому при модификации поверхностной энергии подложки воздействием присадки влияние последней на величину адгезионного взаимодействия парафина с поверхностью подложки окажется мало-значимым. Реальность такого предположения подтверждается результатами работы /44/, где установлено, что шероховатые поверхности любой природы достагочно интенсивно запарафинируются в условиях скважины. [c.147]

Прочность коагуляционных контактов определяется ван-дер-ваальсовыми молекулярными силами сцепления через тончайшие прослойки дисперсионной среды, фиксированная толщина которых соответствует минимальному значению поверхностной энергии Гиббса [185]. Поэтому коагуляционные структуры отличаются сравнительно слабыми контактами между частицами (в среднем 10-">Н на контакт) и тиксотропной обратимостью вследствие наличия частиц, способных совершать броуновское движение. Истинная прочность контакта зависит от условий его образования, природы компонентов системы и расстояния между взаимодействующими частицами [185]. Сила сцепления в контактах должна быть достаточ- [c.102]

Таким образом, наличие шероховатостей, выступов и впадин, активных граней, точечных де([)ектов, дислокаций образует весьма сложную микротопографическую картину, не говоря уже о влиянии химической природы и предыстории образца. Поэтому однозначного ответа на вопросы о локализации адсорбционных центров, их плотности и поверхностной энергии быть не может без привязки к конкретной структуре и составу поверхности. [c.126]