پدیدههای سطحی و
شیمی سطح در بخشهای مختلف صنعتی و غیر صنعتی از اهمیت فراوانی برخوردار است. برای مثال ، واکنشهای کاتالیزوری روی سطح ، موضوعاتی چون روانکنندهها ،
خوردگی ،
چسبها ، پاککنندهها ، عملیات استخراج ، شیمی مواد حیاتی و واکنشهای سلولهای الکتروشیمیایی ، همه متاثر از پدیدههای سطحی هستند.
سطوح مشترک فارسی را میتوان به انواع زیر تقسیمبندی کرد:
جامد- جامد ،
جامد- مایع ،
جامد- گاز ،
مایع- مایع و
مایع- گاز.
سطح مشترک مایع- گاز و مایع- مایع
در تشریح و توصیف پدیدههای سطحی همانند تئوری محلولها ، مسئله اصلی ، بررسی و محاسبه خواص سیستم براساس ساختمان
الکترونی و اندرکنشهای بین
مولکولی است. این محاسبات در منطقه مربوط به سطح مشترک دو
فاز از پیچیدگی بیشتری نسبت به مناطق همگن برخوردار است، چرا که نیروهای وارد شده به مولکولهای سطحی ، نیروهای غیرموازنه و غیر یکنواخت میباشند.
کشش سطحی
پدیدههای سطحی و کشش سطحی بر پایه نیروهای کوتاه برد بین مولکولی توضیح داده میشوند. نیروهای کوتاه برد بین مولکولی که بخوبی شناخته شده میباشند، همان نیروهایی هستند که باعث بوجود آمدن حالت مایع یک ماده از حالت گاز میباشند. مولکولهایی که در توده مایع وجود دارند، بهطور متوسط تحت تاثیر نیروهای کششی یکسانی در تمام جهات قرار دارند. اما مولکولهایی که در سطح مشترک مایع- گاز وجود دارند، طبیعتا تحت تاثیر نیروهای کششی نامتوازی قرار گرفتهاند که نتیجه خاص این نیروها ، کشش مولکول به سمت داخل توده مایع است.
بنابراین بسیاری از مولکولها که در سطح
مایع وجود دارند، تمایل دارند که سطح را ترک کرده ، به داخل کشیده شوند. به این دلیل ، مایعات تمایل دارند شکلهایی به خود بگیرند که مساحت سطح آنها مینیمم باشد، چرا که در این صورت ، بیشترین تعداد مولکولها در درون توده مایع و کمترین تعداد بر روی سطح قرار میگیرند و به همین جهت ، قطرات کوچک به شکل کروی میباشند.
شکل هندسی کره به گونه ای است که مقدار نسبت سطح به حجم آن نسبت به اشکال هندسی دیگر حداقل است. البته این امکان وجود دارد که نیروهای دیگر با این شکل ایدهآل مقابله کنند. مثلا نیروی ثقل موجب میشود کره ها در گودالها بهصورت سطح درآیند. به هر حال ، رسیدن به شکل هندسی خاص به دلیل تملایل مایعات برای دستیابی به کمترین مساحت سطح است.
قابلیت مواد فعال سطحی برای حل کردن مواد دیگر
محلولهای مواد فعال سطحی در بالاتر از c.m.c میتوانند مواد
آلی غیر محلول دیگر را با جا دادن آنها در داخل مسیلها حل کنند. برای مثال ، رنگ نارنجی زایلنون که فقط به مقدار ناچیزی در
آب حل میشود، در حضور
سدیم دودسیل سولفات و در بالاتر از نقطه بحرانی مسیلی شدن آن ، ایجاد قرمز پررنگ میکند. بهطور کلی قرار گرفتن حل شده در موقعیتهای مختلف مسیل (از سطح مسیل گرفته تا هسته داخلی آن) بستگی به این دارد که اندرکنشهای الکتروستاتیکی و یا هیدروفوبیک در مسیل تشکیل شده، به چه صورتی موازنه شده باشند.
این
قابلیت حل کردن مواد ، از اهمیت کاربردی در فرمولی کردن داروها و محصولات دیگری که شامل اجزاء غیرمحلول در آب هستند، برخوردار میباشد. همچنین در خاصیت پاک کنندگی ،
پلیمریزاسیون امولسیونی و کاتالیزورهای مسیلی در واکنشهای آلی کاربرد دارد.
سطح مشترک جامد- گاز
وقتی که یک
گاز یا بخار با یک سطح جامد تمیز برخورد میکنند، بعضی از مولکولهای آنها به سطح میچسبند تا ایجاد یک لایه جذب شده نمایند. در این صورت ، معمولا به جامد ،
ماده جاذب ، به گاز یا بخاری که به سطح میچسبند،
جذب شونده و به گازی که باقیمانده است،
جذب نشده گویند.
ممکن است جذب یک گاز در توده جامد یا بدنه جامد اتفاق افتد (جذب توده) و چون به صورت تجربی نمیتوان مرزی بین جذب توده و جذب سطحی تعیین کرد، معمولا از عبارت
سورپشن sorption برای توصیف کلی پدیده جذبی گاز بوسیله
جامد استفاده میشود. هر جامدی قادراست مقدار مشخصی از گاز را جذب کند.
پیشرفت در حالت تعادل به دما ، فشار گاز و مساحت سطح موثر جامد بستگی دارد. بنابراین ، بهترین جاذبها آنهایی هستند که دارای خلل و فرج بالایی باشند، مانند ذغال فعال و سیلیکاژل 1000 که دارای مساحت سطحی بالایی بوده و به یک cm
2/g نیز میرسد. در دمای داده شده ، ارتباط بین مقدار گاز جذب شده در حالت تعادل و فشار گاز را
ایزوترم جذب گویند.
پدیده جذب در واقع ، نیروهای جاذبه غیر تعادلی را که در یک سطح وجود دارند، کاهش میدهد و به عبارت دیگر ، انرژی آزاد سطحی کاهش مییابد. برای سادگی ، ابتدا سطحی را در نظر بگیرید که از شکستن یک کریستال جامد کووالانسی مانند
الماس و یا هر فلزی تشکیل شده باشد. در این فرآیند ،
پیوندهای کووالانسی بین اتمها شکسته شده ، هر اتم سطحی ، دارای والانسهای آزاد میباشد. تعداد و نوع این والانسها به پیوند بین اتمهایی که در بدنه جامد وجود دارند و به زاویه شکسته شدن کریستال بستگی دارد.
یک
اتم ، در این سطح جدید مشخصا در یک موقعیت غیر معمول است که در آن ، همسایههای اتم بهطور غیر کامل میباشند، یعنی عدد کئوردیناسیون آن ، کوچکتر از اتمهایی است که در بدنه آن جامد وجود دارند.
سطح مشترک جامد- مایع
زاویه تماس و فرآیند تَرکُنندگی
میزان جابجایی یک سیال نسبت به سطح توسط سیال دیگر را
فرآیند تَرُکنندگی گویند. بنابراین فرایند ترکنندکی دارای سه فاز میباشد که حداقل دوتای از آنها باید سیال باشند. برای مثال ، حالات خاصی که معمولا اتفاق میافتد، یک گاز (هوا) بوسیله یک مایع در سطح یک جامد جایگزین میشود. یک عامل ترکننده (عامل فعال کننده سطح) ماده ای است که این اثر را سرعت میبخشد. بهطور کلی سه نوع ترکنندگی را میتوان معرفی کرد:
- ترکنندگی گسترشی
- ترکنندگی چسبنده
- ترکنندگی غوطهوری
کاتالیزورهای ناهمگن
در مطالعه یک
واکنش شیمیایی ، دو موضوع از اهمیت برخوردار است؛ نخست اینکه آیا واکنش انجام میشود و اگر چنین است، تا چه حد پیشرفت خواهد کرد؟ معمولا تمام واکنشها قبل از اینکه کامل شوند، متوقف میشوند. سوال این است که سیستم در چه موقعیت تعادلی متوقف میشود. پاسخ به این سوالات و نظایر آن در حوضه
ترمودینامیک شیمیایی است. دومین سوال این است که موقعیت تعادلی به چه سرعتی قابل حصول است و واکنش به چه سرعتی پیش میرود؟ پاسخ به این سوالات و سوالهای مربوطه در حیطه کاری
سینتیک شیمیایی است.
هرگاه صحبت از
کاتالیزور باشد، در حقیقت میتوان سیستمهای کاتالیزوری را به دو دسته مجزا تقسیم کرد:
- وقتی کاتالیزور با واکنشدهندهها در یک فاز باشند و هیچ مرز فازی بین آنها وجود نداشته باشد، واکنش کاتالیزوری را همگن یا یکنواخت نامند. این نوع کاتالیزورها ، در حالات زیر اتفاق میافتد:
- در فاز گازی به عنوان مثال وقتی اکسید نیتروژن ، اکسیداسیون دیاکسید گوگرد را کاتالیز میکند.
- در فاز مایع وقتی که اسیدها و بازها موتاراتاسیون گلوکز را کاتالیز میکنند.
- وقتی یک مرز فازی ، کاتالیزور را از واکنشدهندهها جدا میکند، از کاتالیزورشدن هتروژن یا ناهمگن صحبت به میان میآید.
مباحث مرتبط با عنوان