Поверхностная энергия и поверхностные явления

 

Итак, первые три особенности характерны для всех дисперсных систем, в том числе и НЧ, как объектов коллоидной химии. Чет­вертая особенность присуща только НЧ, специфические поверх­ностные свойства которых определяют дополнительный избыток поверхностной энергии. Подобный избыток обусловлен особенно­стями образования НЧ и другими факторами.

Рассмотрим эти факторы более подробно. Экстремальные усло­вия образования НЧ (высокие или низкие температуры, значитель­ная скорость процесса, воздействие мощных источников излучения и др.) вызывают изменения атомно-кристаллической структуры ма­териалов, возникновение неоднородной деформации и неоднород­ного распределения компонентов и фаз на поверхности. В результа­те увеличиваются смещение атомов, дефектность, аморфизация и другие процессы. При этом сокращается расстояние между атомами на плоскости, происходит поверхностная релаксация и возникает избыточная поверхностная энергия. Это избыточная энергия, энер­гия дефектов, величина пропорциональная их числу.

Удельную сво­бодную поверхностную энергию НЧ рассчитывают по формуле Толмена:

где σ – удельная свободная поверхностная энергия на плоской поверхности;

σ_н - удельная свободная поверхностная энергия при кривизне поверхности r;

h_a – толщина поверхностного слоя.

Большинство НЧ по отношению к окружающей среде находят­ся в неравновесном состоянии. Неравновесное состояние вызвано изменением физико-химических свойств их поверхности и иска­жением атомной структуры за счет давления, температуры, внеш­него воздействия, некомпенсированное™ связей поверхностных атомов (вследствие нарушения симметрии в распределении сил, действующих на них), в результате ведения компонентов и появле­ния фазовой неоднородности, в том числе за счет образования ок­сидов. Неравновесное состояние означает возможность изменения удельной свободной поверхностной энергии, которая зависит от энергии Гиббса следующим образом

где σ и σ_н – соответственно равновесная и неравновесная удельная свободная поверхностная энергия;

ΔG_t – изменение энергии Гиббса с течением времени;

В_уд – удельная поверхность.

Итак, огромная удельная поверхность и большой избыток поверхности энергии, неравновесное состояние НЧ обуславливают их необычную активность и специфические поверхностные свойства.

Особенности адсорбции применительно к НЧ следующие:

- значительная адсорбционная активность;

- большая скорость процесса и адсорбционная емкость.

Избыток поверхностной энергии и большая удельная поверхность НЧ определяется их размерами, поэтому и адсорбция зависит от размеров частиц.