Поверхневі явища
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Поверхневі явища

Поверхневі явища, вираження особливих властивостей поверхневих шарів, тобто тонких шарів речовини на кордоні зіткнення тіл (середовищ, фаз). Ці властивості обумовлені надлишком вільній енергії поверхневого шару, особливостями його структури і складу. П. я. можуть мати чисто фізичний характер або супроводитися хімічними перетвореннями; вони протікають на рідких (легкоподвіжних) і твердих міжфазних кордонах. П. я., пов'язані з дією поверхневого натягнення і що викликаються викривленням рідких поверхонь розділу, називаються також капілярними явищами . До них відносяться капілярне всмоктування рідин в пористі тіла, капілярна конденсація, встановлення рівноважної форми крапель газових міхурів, менісків. Властивості поверхні контакту двох твердих тіл або твердого тіла з рідким і газовим середовищами визначають умови таких явищ, як адгезія, змочування, тертя. Молекулярна природа і властивості поверхні можуть корінним чином змінюватися в результаті утворення поверхневих мономолекулярних шарів або фазових (полімолекулярних) плівок. Такі зміни часто відбуваються унаслідок фізичних процесів (адсорбції, поверхневої дифузії, розтікання рідини) або хімічної взаємодії компонентів дотичних фаз. Будь-яке «модифікування» поверхневого (міжфазного) шару зазвичай приводить до посилення або ослабіння молекулярної взаємодії між контактуючими фазами (див. Ліофільность і ліофобность ) . Фізичні або хімічні перетворення в поверхневих шарах сильно впливають на характер і швидкість гетерогенних процесів — корозійних, каталітичних, мембранних і ін. П. я. відбиваються і на типово об'ємних властивостях тіл. Так, зменшення вільної поверхневої енергії твердих тіл під дією адсорбційний активного середовища викликає пониження їх міцності (див. Ребіндера ефект ) . Особливу групу складають П. я., обумовлені наявністю в поверхневому шарі електричних зарядів: електроадгезійні явища, електрокапілярні явища, електродні процеси. Фізичні або хімічні зміни в поверхневому шарі провідника або напівпровідника істотно позначаються на роботі виходу електрона. Вони також впливають на П. я. у напівпровідниках (поверхневі стани, поверхневу провідність, поверхневу рекомбінацію), що відбивається на експлуатаційних характеристиках напівпровідникових приладів (сонячних батарей, фотодіодів і ін.). П. я. мають місце в будь-якій гетерогенній системі, що складається з двох або декількох фаз. По суті весь матеріальний світ — від космічних об'єктів до субмікроскопічних утворень — гетерогенний. Як гомогенні можна розглядати системи лише в обмежених об'ємах простору. Тому роль П. я. у природних і технологічних процесах надзвичайно велика. Особливо важливі П. я. у колоїдно-дисперсних (мікрогетерогенних) системах, де міжфазна поверхня найбільш розвинена. З П. я. зв'язана сама можливість виникнення і тривалого існування таких систем. До П. я. у дисперсних системах зводяться основні проблеми колоїдній хімії . У взаємозв'язку броунівського руху і П. я. протікають всі процеси, що приводять до зміни розмірів часток високодисперсної фази ( коагуляція, коалесценція, пептизація, емульгування). У грубодисперсних і макрогетерогенних системах на перший план виступає конкуренція поверхневих сил і зовнішніх механічних дій. П. я., впливаючи на величину вільної поверхневої енергії і будову поверхневого шару, регулюють зародження і зростання часток нової фази в пересичених парах, розчинах і розплавах, взаємодія колоїдних часток при формуванні різного роду дисперсних структур . На глибину і спрямування процесів, обумовлених П. я., часто вирішальним чином впливають поверхнево-активні речовини, адсорбції, що міняють в результаті, структуру і властивості міжфазних поверхонь. Основи сучасної термодинаміки П. я. створені американським фізікохиміком Дж. Гіббсом . В працях радянських учених П. А. Ребіндера, А. Н. Фрумкина, Би. Ст Дерягина, А. Ст Думанського отримали розвиток теоретичні уявлення про природу і молекулярний механізм П. я., що мають важливе практичне значення.

загрузка...

  Використання П. я. у виробничій діяльності людини дозволяє інтенсифікувати існуючі технологічні процеси. П. я. значною мірою визначають дороги здобуття і довговічність найважливіших будівельних і конструкційних матеріалів; ефективність видобутку і збагачення корисних копалини; якість і властивості продукції, що випускається хімічною, текстильною, харчовою, хіміко-фармацевтичною і багатьма іншими галузями промисловості. Велике значення мають П. я. у металургії, виробництві кераміки, металокераміки, полімерних матеріалів (пластичних мас, гуми, лакофарбних продуктів). Для техніки важливі такі П. я., як змащувальна дія, знос, контактні взаємодії, структурні зміни в полікристалічних і композиційних матеріалах, а також електричні і електрохімічні процеси і явища на поверхнях твердих тіл. Пізнання П. я. у живій природі дозволяє свідомо впливати на біологічні процеси з метою підвищення продуктивності сільського господарства, розвитку мікробіологічної промисловості, розширення можливостей медицини і ветеринарії.

  Л. А. Шиц.

 

  В біології П. я. грають важливу роль перш за все на клітинному, субклітинному і молекулярному рівнях організації живих систем. Різні біологічні мембрани відмежовують клітку від зовнішнього середовища і забезпечують її мікрогетерогенність. На мембранах клітки і внутріклітинних органел (мітохондрій, пластид і ін.) відбуваються фундаментальні для життя процеси: рецепція екзо- і ендогенних біологічно активних речовин (гормонів, медіаторів антигенів, феромонов і т.д.); ферментативний каталіз (багато ферментів вбудовано в мембрани, утворюючи багатоферментні каталітичні ансамблі); перетворення хімічної енергії в осмотичну роботу; окислювальне фосфорилування, тобто сполучення процесів окислення з накопиченням енергії в макроергічних з'єднаннях. Особливості взаємодії поверхонь відповідальні за агрегацію кліток, їх прикріплення до живих і неживих субстратів (в т.ч. утворення тромбу при пошкодженні стінки судини, сорбція вірусів на клітках і т.п.). Функціонування найважливіших ферментних систем (наприклад, ансамблю дихальних ферментів) — приклад гетерогенного каталізу. Адсорбція відповідних фізіологічно активних речовин на поверхнях лежить в основі «розпізнавання» своїх і чужих макромолекул (див. Імунологія, Компетенція, Хеморецепція ) , наркозу, передачі нервового імпульсу. У цілому П. я. у живих системах відрізняються від таких в неживій природі набагато більшою хімічною специфічністю, взаємною узгодженістю в часі і просторі. Наприклад, рецепція гормону на поверхні клітки викликає конформаційний перехід (див. Конформація ) ряду компонентів мембрани, що обумовлює зміну її проникності і гетерокаталітічеськой активності. Це, у свою чергу, викликає багаточисельні физико-хімічні і біохімічні зрушення в клітці, що в сукупності і визначає її реакцію на дію.

  У міру еволюції роль П. я. у процесах життєдіяльності зростає. Так, більш древній механізм забезпечення кліток енергією — гліколіз здійснюється ферментами цитоплазми, лише частково закріпленими на структурах ендоплазматичної мережі; еволюційно пізніша і економічніша дорога здобуття енергії — дихання здійснюється за рахунок гетерокаталітічеських систем (див. Окислення біологічне ) . В одноклітинних організмів живлення відбувається шляхом заковтування цілих макромолекул і їх подальшого розщеплювання усередині клітки (див. Піноцитоз ) ; у вищих — істотну роль грає прістеночноє (контактне) травлення, коли ферментативний гідроліз макромолекул їжі відбувається на зовнішній поверхні клітки і координований з подальшим транспортом продуктів розщеплювання в клітку. Див. також Проникність біологічних мембран .

  А. Р. Маленков.

 

  Літ.: Мелвін-Хьюз Е. А., Фізична хімія, пер.(переведення) з англ.(англійський), кн. 2, М., 1962, с. 807; Курс фізичної хімії, під ред. Я. І. Герасимова, 2 видавництва, т. 1, М. — Л., 1969; Успіхи колоїдної хімії, під ред. П. А. Ребіндера і Г. І. Фукса, М., 1973; Гіббс Д же. Ст, Термодинамічні роботи, перло.(переведення) з англ.(англійський). М. — Л., 1958; Русанов А. І., Фазові рівноваги і поверхневі явища. Л,, 1967; Міжфазовий кордон газ — тверде тіло, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1970; Дерягин Би. Ст, Кротова Н. А., Смілга Ст П., Адгезія твердих тіл, М., 1973; 3імон А. Д., Адгезія рідини і змочування, М., 1974; Семенченко Ст До., Поверхневі явища в металах і сплавах, М.. 1957; Recent progress in surface science, ed by J. F. Danielli [а. о.], v. 1—5, N. Y. — L., 1964—72. Див. також літ.(літературний) при статтях Колоїдна хімія, Поверхневе натягнення . Васильев Ю. М., Маленков А. Р., Клітинна поверхня і реакції кліток, Л., 1968; Пасинський А. Р., Біофізична хімія, 2 видавництва, М., 1968; Surface phenomena in chemistry and biology, L. — [а. о.], 1958; Surface chemistry of biological systems, N. Y. — L., 1970.