Беттік керілу

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 15 бет
Таңдаулыға:

Реферат

Беттік құбылыстар. Беттік керілу

Орындаған:
Қабылдаған:

Қарағанды
2018-2019 оқу жылы

Жоспар:
Кіріспе
Негізгі бөлім
Беттік керілу
Беттік керілудің температуға тәуелділігі
Беттік құбылыстар және адсорбция
Сорбциялық құбылыстардың жалпы сипаттамасы
Беттік активті заттар
Гибсс теңдеуі
Шишковский теңдеуі. Траубе - Дюкло ережесі
Қорытынды
Пайдаланылған әдебиеттер

Кіріспе

Беттік керілу бетке перпендикуляр бағытта сұйық молекуласынішке қарай тартатын ішкі қысым күшінің әсерінен пайда болатын құбылыс. Ішкі қысым молекулалық әрекеттесу күштің нәтижесш-де пайда болатындықтан, оның мәні зат полюстігіне тәуелді, яғни берілген заттың полюстігі артқан сайын ішкі қысым да көбейеді. Мысалы, судың ішкі қысымы 14800 атм., бензолдікі 3800 атм. Демек, бензолдан гөрі судың полюстігі артық.
Ішкі қысым сұйықтың беткі қабатына орналасқан молекулаларды ішке тартады және сұйықтың беттік шамасын (ауданын) барынша азайтуға, кішірейтуге тырысады. Сұйықтың беттік мөлшерін азайтуға себепші болатын аралық шектің бірлік өлшеміндегі ұзындығына әсер етуші күшті беттік керілу күші немесе жай ғана беттік керілу дейді. Оның өлшем бірлігі -- динсм және бұл күш сұйық бетіне әрқашан перпендикуляр бағытталған. Сұйықтың беттік қабатын көбейту үшін ішкі қысыммен байланысқан кедергіні жеңуге бағытталған жұмыс жүрігзу керек. Мұндағы қайтымды және изотермалық процестің бірлік өлшеміндегі бетті тудыруға арналған жұмыс, осы беттін, үлесті бос энергиясына тең және ол эргсм2-пен өлшенеді. Ал, егер эрг-дин-см екенін еске алсақ, онда бір шаршы сантиметр бетті жасауға қажетті үлесті бос энергия шамасы осы беттегі беттік керілу күшіне теңеледі екен (динсм). Олай болса, осы айтылғанға орай беттің үлесті бос энергиясы бет-тік керілуге тең; бұл екі шама да бір таңбамен (а) өрнектеледі. Ескерте кететін бір жай, беттік бос энергия системаның бір компоненті сұйық болғанда ғана беттік керілу күшіне теңеледі, яғни таза су, бензол, спирт, май сияқты жеке сұйықтардағы беттік бос энергияның шамасы оның беттік керілу күшіне тең екен.
Фазааралық шектің беткі қабатында бос энергияның артық болуын әр түрлі әдістер көмегімен дәлелдеуге болады. Мысалы, сұйық фазаның ішкі ортасына орналасқан молекуланың өзін қоршаған молекулалармен әрекеттесу күші орташа күшке айналады және ол күш өрісінің симметриялы болуына байланысты нөлге теңеледі. Газ бен сұйық фазаларының арасындағы шекті кабаттағы молекулалар газдан гөрі сұйық молекуласымен көбірек әрекеттесетіндіктен, ондағы тең әсерлі күш сұйыққа қарай, яғни сұйық фазаның беткі қабатына перпендикуляр бағытталады. Көлем өзгеріссіз қалатын жағдайдағы беткі қабаттың ауданын көбейту молекулааралық ішкі күшке қарсы жұмыс жүргізу кезінде фаза көлеміндегі молекулаларды беткі қабатқа шығарады. Изотермалық жағдайда жүргізілетін бұл жұмыс беткі қабаттағы бос энергияның артуына тең. Дәл осы сияқты қатты заттарды ұнтақтау ке-зінде де ондағы байланыс үзіліп, әрбір бөлшек саны артқан сайын беткі қабат та көбейеді және фазааралық беткі қабат артқандықтан, бос энергия жоғарылайды. Мұндай беткі қабат ауданына сәйкес көбейіп отыратын бос энергия туралы ойды кез келген фазааралық беткі қабаттарға пайдалануға болады.

Негізгі бөлім

Дисперсті бөлшектер мен дисперсиялық орта түрлі фазаларға жатады. Жүйе әртүрлі фазалардан тек шекаралық фазаларда молекулярлық өзара әрекеттер әр түрлі болған жағдайда болуы мүмкін. Молекулярлы өзара әрекеттесудің жалғыз жүйесі - идеалды газ. Молекулалық өзара әрекеттесудің қарқындылығы нақты газдардан қатты заттарға көшуімен бірге артады.
Сұйықтықтан (1-кезең) және газдан (2-кезең) тұратын жүйені қарастырамыз. Сұйықтықтағы молекулалық өзара әрекеттесу күштері газ молекулаларының өзара әрекеттесу күштерінен көп. Сұрақ туындайды: кезең аралық беткейде қандай молекула аралық байланыс жүзеге асады? Сұйықтықтың ішіндегі A молекуласы (2.1 сур.) басқа молекулалармен жан-жақты қоршалған. Өзара байланыс күштері өзара теңдестірілген. B молекуласының кезең аралық беткейінде бір жағынан сұйық молекулалар, ал екінші жағынан - газ молекулалары бар. Нәтижесінде күшті сұйықтыққа бағытталған Р күші пайда болады. Бұл күш жиі ішкі қысым деп аталады.

Молекула аралық өзара әрекеттесу іргелес фазаларда әртүрлі болған сайын, ішкі қысым да артады. Ауадағы сұйықтықтар үшін ішкі қысым өте жоғары, мысалы, су P = 14,800 атм. Ішкі қысым P молекуланы 1-ші кезеңге тереңдетуге ұмтылады. Аралық бетті қалыптастыру үшін молекулалардың бір бөлігін сұйықтықтың көлемінен бетіне ауыстыру қажет. Бұл үшін ішкі қысыммен жұмыс істеу керек, оның көп болғаны сайын соғұрлым көп энергия жұмсау қажет екендігі айқын. Бұл энергия бетінде орналасқан молекулаларда шоғырланған және беткейлік энергия деп аталады.

Беттік керілу
Беткей құбылыстардың ең маңызды сипаттамалар беттік керілу болып табылады. Ол 1 аралық беткейде артық беттік энергияны сипаттайды.
Беткі кернеу (σ) термодинамикалық қайтымды, изотермиялық жұмыстарға тең, бұл аралық беткейдің ауданын біреуіне арттыру үшін жасалуы керек.

онда - беткей көлемнің пайда болуына жұмсалған термодинамикалық қайтымды жұмыс, себебі жүйе бойынша жұмыс жасалғандықтан, ол теріс болып саналады. Әдетте жұмыс тұрақты көлемде және температурада (V, T = const) немесе тұрақты температурада және қысым кезінде (P, T = const) орындалады. Екі нұсқаны қарастырамыз:
V, T = const

Мұнда F- Гельмгольц бос энергиясы.

Мұнда G - Гиббс бос энергиясы

Бос энергия - соның есебінен жұмыс жасалуы мүмкін энергиясы.
Осылайша, беттік керілу - бұл бос беткей энергиясы, яғни біртұтас аралық беткейдің бос бетінің энергиясы.

Кесте 1. Ауа шекарасындағы беттік керіліс

Сұйықтық
Сынап
Қатты дене

Беттік керілу - екі фазаның арасындағы теңдеудің термодинамикалық сипаттамасы, бұл жүйенің температурасы, көлемі мен екі фазасындағы барлық құрамдастардың химиялық потенциалы тұрақты болып қалуы шартымен, осы интерфейстің бірлігіне қарай кері изотермиялық кинетикалық қалыптастыру жұмысымен анықталады.
Беттік керілістің қос физикалық мағынасы бар - энергия (термодинамикалық) және күштік (механикалық). Энергия (термодинамикалық) анықтамасы: беттік керілу - бұл температура тұрақты болған жағдайда, созылған кезде бетінің жоғарылауы. Күштік (механикалық) анықтамасы: беттік керілу - бұл сұйықтықтың бетін шектейтін бірлік ұзындығы бойынша әрекет ететін күш.
Беттік кернеу күші сұйықтық бетіне әсер етеді, ол әрекет етушіден сұйықтық беткейіне дейін бағытталады. Беттік кернеу күші ол әрекет ететін контур бөлігінің ұзындығына пропорционалды. Пропорционалды коэффициент γ - күш бірлік ұзындығына арналған күш - бетінің кернеу коэффициенті деп аталады. Ол ньютонның метрге қатынасымен өлшенеді. Бірақ беткі кернеуді беткі бөлікті (м2) бұзу үшін энергия (Дж) ретінде анықтау дұрысырақ. Бұл жағдайда беттік кернеу тұжырымдамасының айқын физикалық мағынасы пайда болады.
1983 жылы сұйықтықтың беттік керілу тұжырымдамасы ішкі энергия тұжырымдамасының нақты бөлігі болып табылатын анықтамалық мәліметтермен (Физикалық химия журналы, 1983, № 10, 2528-2530 жж.) берілген. Осы мақалада келтірілген формулалар, кейбір заттардың басқа физикалық-химиялық қасиеттерге сәйкес сұйықтықтың беттік керілуін есептеуге мүмкіндік береді, мысалы, буланудың қызуы немесе ішкі энергия.

Беттік керілістің температуға тәуелділігі

Газбен шекарада жекелеген заттардың беттік кернеуі температураның төмендеуімен төмендейді, сонымен қатар температура коэффициенті критикалыққа жақын температураға дейін дерлік тұрақты теріс мәнге ие.
Сыни температурада іргелес фазалардың арасындағы айырмашылық жоғалады, ал бетінің кернеуі нөлге тең болады. Полярлы емес сұйықтықтардың көпшілігінде бетінің кернеуінің температуралық тәуелділігі сызықтық болып табылады және бірінші жақындаған ара қатынасымен көрсетілуі мүмкін:

Мұнда және - тиісінше берілген T температурасында және стандартты температурада бетінің кернеуі;
- бұл берілген және стандартты температура арасындағы айырмашылық. Басқа заттар осы тәуелділікті қатаң емес бақылайды, бірақ жиі ауытқулар ескерілмеуі мүмкін, себебі температура коэффициенттері температураға байланысты емес.

Беттік құбылыстар және адсорбция

Беттiк құбылыстар гетерогендiк жүйелердiң бөлу (жанасу) беттерiнде жүредi және көп жағдайда олар жүйенiң жалпы қасиеттерiне әсерiн тигiзедi. Беттiк құбылыстарға жұғу мен жайылу, гетерогендiк катализ,адсорбциялық процестер мен қатты дененiң ұсақталуы, флотация, коллоидтық жүйелердiң тұрақтандыру, эмульсияны алу т.б.процестер жатады.
Беттiк құбылыстарды сипаттайтын шамалардың бiрi - беттiк керiлу. Беттiк керiлу бөлу (жанасу) бетiнiң бiрлiгiнiң (мысалы, 1 см2) еркін беттiк энергиясының өлшемi. Егер осы артық энергияны жанасу бетiнiң ауданына (S см2) көбейтсек, онда берiлген гетерогендiк жүйенiң еркін беттiк энергиясын аламыз:

(1)

Термодинамикадан жүйенiң тұрақты тепе-теңдiк жағдайы еркін энергияның ең аз (минимумы) мөлшерiне сәйкес келетiнi белгiлi. Ендеше еркін энергиясы берiлген жағдайдағы ең аз еркін энергиядан көбiрек гетерогендiк жүйелер тұрақсыз және оларда сол еркін энергияны азайтатын бағытта өздiгiнен процесс (не процестер) жүруi керек.
(1)-теңдеуден еркін беттiк энергияның кемуi екi түрлi жолмен болатынын көруге болады, фазалардың жанасу беттерiнiң азаюының және беттiк керiлудiң азаюының нәтижесiнде болады екен. Таза заттардың табиғатына байланысты олардың беттiк керiлуi тұрақты бiр шама. Оларда беттiк энергияның кемуi тек ауданның азаюымен анықталады. Мысалы, кез-келген сұйықтың тамшысының пiшiнiн алып қарасақ, ол шар тәрiздi болады, өйткенi геометриялық пiшiндердiң iшiнде шардың ауданы ең азы.
Құрамдары күрделi жүйелерде беттiк энергияның кемуi басқа да жолмен, атап айтқанда, беттiк керiлудiң азаюымен жүзеге асуы мүмкiн.Мысалы, ерiтiндiлерде ерiген заттың қоюлықтарына (концентрациясына) байланысты, яғни ерiтiндiнiң жанасу бетiнде ерiген заттық қоюлығының көбеюiне немесе азаюына байланысты беттiк керiлудiң азаюы мүмкiн.Бөлу (жанасу) беттерiнде кез-келген бiр заттың өздiгiнен көбеюi немесе азаюы жалпы түрде адсорбция деп аталады. Бiз осы тарауда адсорбция құбылыстарының түр-түрiмен танысып, олардың ішінде ертінді - газ жанасу бетіндегі және қатты дене - ертінді жанасу бетіндегі адсорбцияның ерекшелiктерi мен қасиеттерiн қарастырамыз.

Сорбциялық құбылыстардың жалпы сипаттамасы

Гетерогендiк жүйелердiң жанасу беттерiнде болатын беттiк құбылыстардың теориялық және практикалық жағынан маңызы зор, әрi көп тарағаны - сорбциялық құбылыстар. Сорбция деп бiр заттың өз бетiнше басқа бiр затқа жұтылу құбылысын айтады. Әдетте өзiне жұтатын (сiңiретiн) зат (қатты, не сұйық зат) сорбент, ал жұтылатын зат сорбтив (кейде сорбат) деп аталады. Сорбтивтiң сорбентке қаншалықты терең сiңiрiлуiне және олардың арасындағы байланыстар мен әрекеттесуге байланысты сорбциялық құбылыстарды бiрнеше түрге бөледi. Егер сорбтив сорбенттiң тек бетiнде ғана жиналса (жұтылса), онда бұл құбылысты адсорбция (беттік сорбция) деп атайды. Бұл жағдайда сiңiрушi зат адсорбент ал сiңiрiлген зат (жұтылатын зат) адсорбтив (адсорбат) деп аталынады. Мысалы, металл бетіндегі газдардың адсорбциялары. Егер сорбтив сорбенттің бүкіл көлемінде (жұтылса), онда ол құбылысты абсорбция (көлемдік сорбция) деп атайды. Мысалы, Н2 - нің Рd-дағы абсорбциясы. Адсорбент пен адсорбтивтiң арасындағы әрекеттесудiң табиғатына байланысты адсорбция физикалық (ван-дер-ваальстiк) және химиялық (немесе хемосорбция) болып екiге бөлiнедi. Бiрiншi жағдайда адсорбент пен адсорбтив арасында физикалық (молекулалық), не басқаша айтқанда ван-дер-ваальстiк күштер болады. Физикалық адсорбция әрқашанда қайтымды. Химиялық адсорбция кезiнде адсорбент пен адсорбтив арасындағы байланыс химиялық болады. Мысалы: О2-нiң С-дегi; СО2-нiң СаО-дағы; NH3-тiң CuSO4 -тегi адсорбциялары.
Капилярлық конденсация деп аталатын сорбциялық құбылыстардың бiр түрiн айта кеткен жөн. Бұл құбылыс кезiнде адсорбент адсорбтивтi (газдар мен буларды) жұтып қана қоймай,оның үстiне өздерiнiң капилярына оларды конденсациялайды. Газдардың жұтылуына қарап капилярлық конденсацияны абсорбция (жұтылу) құбылысы деуге болады, ал түтiкшенiң iшiнде конденсацияланған сұйықтық жиналып, олардың барлық көлемде бiрдей болмайтындығынан бұл құбылысты адсорбциялық құбылысқа да жатқызуға болады. Адсорбенттiң бiрлiк ауданындағы (1см² немесе 1м²) жұтылған зат мөлшерiн меншiктi адсорбция деп атайды. Оны Г не А әрiпiмен белгiлейдi. Егер сорбтивтiң мөлшерi x болса, онда:
А=xS немесе Г=xS
мұндағы S-адсорбент бетiнiң ауданы.
Адсорбенттiң бетiн анықтау мүмкiншiлiгi болмаған жағдайда адсорбцияны адсорбенттiң бiрлiк массадағы (г,кг) адсорбтивтiң мөлшерiмен сипаттайды:
Г=xm; немесе A=xm;
мұндағы m-адсорбенттің массасы.
Берiлген адсорбент пен адсорбтив үшiн адсорбцияның шамасы (Г) екi термодинамикалық параметрлерге тәуелдi болады: егер адсорбтив газ болса температура (Т) мен қысым (P); егер адсорбтив сұйық болса температура (Т) мен қоюлық (концентрация, С).
Сонымен үш шаманың Г, Т және С (немесе р) арасында белгiлi бiр функциялық байланыс бар екен. Оны математикалық жолмен жалпы термодинамикалық теңдеу бойынша көрсетуге болады:
(Г,Т,С)=О, немесе f(Г,Т,р)=О (2)
бұдан:
Г=f(Т,С); немесе f(Т,р) (3)

(3) - жалпы теңдеуден дербес теңдеулерді жазуға ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.