Курс общей физики. Механика и молекулярная физика - Ландау Л.Д.
Скачать (прямая ссылка):
В особенности сильно способствуют конденсации пара заряженные частицы — ионы, сильно притягивающие к себе молекулы пара, в силу чего вокруг них сразу образуются мельчайшие капельки, которые и делаются центрами дальнейшей конденсации. На этом явлении основано, в частности, устройство так называемой камеры Вильсона, служащей для наблюдения путей быстрых ионизующих атомных или ядерных частиц.
Мы рассмотрели подробно причины возникновения ме-тастабильного состояния пересыщенного (переохлажденного) пара. Эти причины имеют в действительности общий характер и с ними связана «задержка» и других фазовых переходов . Возникновение новой фазы в толще старой должно начинаться с образования мельчайших ее вкраплений — зародышей. Так, превращение жидкости в пар должно начинаться с появления в ней мельчайших пузырьков пара, затвердевание жидкости — с появления в ней кристаллических зародышей и т. п. § 100]
КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ
313
Но наличие дополнительной поверхностной энергии на границе такого вкрапления делает его возникновение энергетически невыгодным, если только его размеры недостаточно велики. Мы имеем здесь дело как бы с конкуренцией двух противоположных факторов. Образование новой границы раздела двух фаз связано с проигрышем в поверхностной энергии, но переход вещества в новую фазу приводит к выигрышу в его объемной энергии. Второй фактор возрастает при увеличении размеров вкрапления быстрее, чем первый, и, в конце концов, становится преобладающим. Можно сказать, что образование зародыша новой фазы требует перехода через связанный с поверхностной энергией «потенциальный барьер», что возможно лишь для достаточно большого зародыша.
Существует один фазовый переход, который с этой точки зрения кажется исключением из общего правила,— это плавление кристаллов. При обычном нагревании кристаллов никогда не наблюдается их перегрева. Происходит это, однако, лишь по той причине, что поверхность всех кристаллов полностью смачивается образующейся при их плавлении жидкостью. Поэтому возникающие на поверхности кристалла капельки жидкости растекаются, так что поверхностное натяжение не играет препятствующей плавлению роли.
Перегрев кристаллов можно получить, если искусственно нагревать кристалл не снаружи, а изнутри. Так, при пропускании тока через монокристаллический оловянный стержень, интенсивно обдуваемый снаружи, температура внутри стержня оказывается более высокой, чем на его поверхности. В результате можно перегреть внутренность кристалла на 1—2°, прежде чем начнется обычное плавление с его поверхности.
§ 100. Коллоидные растворы
В некоторых случаях вещество, не растворяющееся в данной жидкости, может быть распределено в ней в виде мельчайших частиц, состоящих, однако, еще из очень многих молекул. Измельченное (или, как говорят, диспергированное) вещество называют при этом дисперсной фазой, а среду, в которой оно распределено,— дисперсной средой. Если порядок величины размера частиц составляет IO-4— 314
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
[гл. XII
IO-2 см, то такую смесь называют суспензией или эмульсией, смотря по тому, имеем мы дело с частицами твердого или жидкого вещества (так, молоко есть эмульсия жира в воде).
При еще меньшем размере частиц, составляющих 10~7— IO-5 см (10—IO3 A), смесь называют коллоидным раствором или золем. Характерным для этих растворов является не столько число молекул, составляющих частицы дисперсной фазы, сколько именно размер этих частиц. Так, в коллоидном растворе золота в воде каждая частица, обладая размерами 100—500 A, содержит миллионы атомов золота. В растворах же таких сложнейших веществ, как белки, каждая частица коллоида может содержать всего по одной молекуле.
Дисперсная среда может быть как жидкой, так и газообразной. Так, коллоидными растворами в воздухе (аэрозолями) могут являться дымы, туманы. Наиболее важными являются, однако, коллоидные растворы в жидкостях, в особенности в воде (гидрозоли). Так, большая часть веществ, участвующих в построении растительных и животных организмов, находится в них в виде жидких коллоидных растворов.
Образовывать золи могут самые разнообразные вещества: многие высокомолекулярные органические соединения (белки, крахмал, желатин и др.), кремневые кислоты, гидроокись алюминия и др. Можно получить также золи некоторых металлов, например золота в воде.
Из-за большой степени раздробленности дисперсной фазы общая поверхность ее частиц чрезвычайно велика. Поэтому поверхностные явления играют определяющую роль для свойств коллоидных растворов.
В силу стремления поверхностного натяжения уменьшить поверхность раздела, частицы дисперсной фазы обладают тенденцией к соединению друг с другом и выпадению из раствора в виде плотной массы. Этой тенденции противодействуют силы электрического отталкивания: частицы дисперсной фазы в коллоидном растворе всегда электрически заряжены, причем все частицы — зарядами одного знака (который может быть как положительным, так и отрицательным). Только это обстоятельство и препятствует слипанию и осаждению частиц.
