Химия поверхности и коллоидов
Химия поверхности и коллоидов изучает физику и химию межфазных границ и тонкодисперсных веществ, где большое отношение площади поверхности к объему приводит к доминированию межфазных сил в поведении систем.
Definition
Химия поверхности и коллоидов — это раздел физической химии, занимающийся свойствами межфазных границ и коллоидных систем, в которых одно вещество тонко диспергировано в другом, и межфазные явления определяют поведение.
Scope
Эта область охватывает химию межфазных границ и дисперсных систем: поверхностное натяжение и термодинамику межфазных границ; адсорбцию газов и растворенных веществ на поверхностях и ее изотермы; свойства и стабильность коллоидных дисперсий; поверхностно-активные вещества и их самосборку в мицеллы и мембраны; а также структуру заряженных межфазных границ и электрического двойного слоя. Каталитическая химия поверхностей связана с кинетикой, тогда как здесь акцент делается на межфазной термодинамике, силах и структуре.
Sub-topics
Core questions
- Как поверхностное натяжение возникает из термодинамики межфазных границ?
- Как молекулы адсорбируются на поверхностях, и какие изотермы описывают этот процесс?
- Какие силы стабилизируют или дестабилизируют коллоидные дисперсии?
- Как поверхностно-активные вещества самоорганизуются, и как заряженные межфазные границы структурируют окружающий раствор?
Key concepts
- Поверхностное натяжение и межфазная энергия
- Изотермы адсорбции
- Коллоидные дисперсии и стабильность
- Поверхностно-активные вещества и самосборка
- Электрический двойной слой
Key theories
- Изотерма адсорбции Ленгмюра
- Адсорбция на однородной поверхности с фиксированным числом эквивалентных центров и отсутствием взаимодействия между адсорбированными молекулами приводит к насыщению покрытия с увеличением давления или концентрации, что является фундаментальной моделью поверхностной адсорбции.
- Теория ДЛФО стабильности коллоидов
- Стабильность заряженных коллоидов определяется балансом между притягивающими силами Ван-дер-Ваальса и отталкивающими силами электрического двойного слоя, что объясняет, почему дисперсии флокулируют при добавлении соли, экранирующей отталкивание.
Clinical relevance
Химия поверхности и коллоидов лежит в основе гетерогенного катализа, моющих средств и эмульсий, красок, пищевых продуктов и фармацевтических препаратов, стабильности чернил и керамики, поведения биологических мембран и клеток, а также таких процессов, как флотация, смачивание и водоочистка.
History
Томас Грэм различал коллоиды и кристаллоиды в 1860-х годах; Гиббс заложил термодинамические основы для межфазных границ, работы Ленгмюра в начале двадцатого века установили молекулярную теорию адсорбции и монослоев, а теория ДЛФО 1940-х годов количественно объяснила коллоидную стабильность.
Key figures
- Irving Langmuir
- Thomas Graham
- Jacob Israelachvili
Related topics
Seminal works
- langmuir1916
- adamson1997
- israelachvili2011
Frequently asked questions
- Почему межфазные эффекты доминируют в коллоидах, но не в объемных веществах?
- Коллоидные частицы настолько малы, что огромная доля их молекул находится на поверхности; возникающее в результате огромное отношение площади поверхности к объему приводит к тому, что межфазная энергия и силы, пренебрежимо малые в объемных образцах, контролируют поведение системы.
- Что предотвращает оседание коллоидной дисперсии?
- Отталкивающие силы между частицами, главным образом электростатическое отталкивание от заряженных поверхностей и стерическое отталкивание от адсорбированных слоев, удерживают их на расстоянии друг от друга, противодействуя притягивающим силам Ван-дер-Ваальса; когда эти отталкивания уменьшаются, частицы агрегируют, и дисперсия дестабилизируется.