ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
выражение
особых свойств поверхностных слоев, т. е. тонких слоев вещества на границе
соприкосновения тел (сред, фаз). Эти свойства обусловлены избытком свободной
энергии поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава.
П. я. могут иметь чисто физ. характер или сопровождаться хим. превращениями;
они протекают на жидких (легкоподвижных) и твёрдых межфазных границах.
П. я., связанные с действием поверхностного натяжения и вызываемые
искривлением жидких поверхностей раздела, наз. также капиллярными явлениями.
К
ним относятся капиллярное всасывание жидкостей в пористые тела, капиллярная
конденсация, установление равновесной формы капель, газовых пузырей, менисков.
Свойства поверхности контакта двух твёрдых тел или твёрдого тела с жидкой
и газовой средами определяют условия таких явлений, как адге-зия, смачивание,
трение.
Молекулярная природа и свойства поверхности могут коренным образом изменяться
в результате образования поверхностных мономолекулярных слоев или фазовых
(полимолекулярных) плёнок. Такие изменения часто происходят вследствие
физич. процессов (адсорбции, поверхностной диффузии, растекания жидкости)
или химич. взаимодействия компонентов соприкасающихся фаз. Любое "модифицирование"
поверхностного (межфазного) слоя обычно приводит к усилению или ослаблению
молекулярного взаимодействия между контактирующими фазами (см. Лиофильностъ
и лиофобность). Физ. или хим. превращения в поверхностных слоях сильно
влияют на характер и скорость гетерогенных процессов - коррозионных, каталитических,
мембранных и др. П. я. отражаются и на типично объёмных свойствах тел.
Так, уменьшение свободной поверхностной энергии твёрдых тел под действием
адсорбционно активной среды вызывает понижение их прочности (см. Ребиндера
эффект). Особую группу составляют П. я., обусловленные наличием в поверхностном
слое электрич. зарядов: электроадгезионные явления,
электрокапиллярные
явления, электродные процессы. Физ. или хим. изменения в поверхностном
слое проводника или полупроводника существенно сказываются на работе
выхода электрона. Они также влияют на П. я. в полупроводниках (поверхностные
состояния, поверхностную проводимость, поверхностную рекомбинацию), что
отражается на эксплуатационных характеристиках полупроводниковых приборов
(солнечных батарей, фотодиодов и др.). П. я. имеют место в любой гетерогенной
системе, состоящей из двух или неск. фаз. По существу весь материальный
мир -от космич. объектов до субмикроскопич. образований - гетерогенен.
Как гомогенные можно рассматривать системы лишь в ограниченных объёмах
пространства. Поэтому роль П. я. в природных и технологич. процессах чрезвычайно
велика. Особенно важны П. я. в коллоидно-дисперсных (микрогетерогенных)
системах, где межфазная поверхность наиболее развита. С П. я. связана сама
возможность возникновения и длит, существования таких систем. К П. я. в
дисперсных
системах сводятся основные проблемы
коллоидной химии.
Во взаимосвязи
броуновского
движения и П. я. протекают все процессы, приводящие к изменению размеров
частиц высокодисперсной фазы (коагуляция, коалесценция, пептизация,
эмульгирование). В грубо-дисперсных и макрогетерогенных системах на
первый план выступает конкуренция поверхностных сил и внешних механич.
воздействий. П. я., влияя на величину свободной поверхностной энергии и
строение поверхностного слоя, регулируют зарождение и рост частиц новой
фазы в пересыщенных парах, растворах и расплавах, взаимодействие коллоидных
частиц при формировании разного рода дисперсных структур.
На глубину
и направление процессов, обусловленных П. я., часто решающим образом влияют
поверхностно-активные вещества, меняющие в результате адсорбции
структуру и свойства межфазных поверхностей. Основы совр. термодинамики
П. я. созданы американским физикохимиком Дж. Гиббсом. В трудах советских
учёных П. А. Ребиндера, А. Н. Фрумкина, Б. В. Дерягина,
А.
В. Думанского получили развитие теоретич. представления о природе
и молекулярном механизме П. я., имеющие важное практич. значение.
Использование П. я. в производственной
деятельности человека позволяет интенсифицировать существующие технологич.
процессы. П. я. в значительной мере определяют пути получения и долговечность
важнейших строительных и конструкционных материалов; эффективность добычи
и обогащения полезных ископаемых; качество и свойства продукции, выпускаемой
химической, текстильной, пищевой, химико-фармацевтической и мн. другими
отраслями пром-сти. Большое значение имеют П. я. в металлургии, производстве
керамики, металлокерамики, полимерных материалов (пластических масс, резины,
лакокрасочных продуктов). Для техники важны такие П. я., как смазочное
действие, износ, контактные взаимодействия, структурные изменения в поликристаллич.
и композиционных материалах, а также электрич. и электрохимич. процессы
и явления на поверхностях твёрдых тел. Познание П. я. в живой природе позволяет
сознательно влиять на биологич. процессы с целью повышения продуктивности
с. х-ва, развития микробиологич. пром-сти, расширения возможностей медицины
и ветеринарии. л. А. Шиц.
В биологии П. я. играют важную роль
прежде всего на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях организации
живых систем. Различные биологические мембраны отграничивают клетку
от внешней среды и обеспечивают её микрогетерогенность. На мембранах клетки
и внутриклеточных органелл (митохондрий, пластид и др.) происходят фундаментальные
для жизни процессы: рецепция экзо- и эндогенных биологически активных веществ
(гормонов, медиаторов, антигенов, феромонов и т. д.); ферментативный
катализ (мн. ферменты встроены в мембраны, образуя многоферментные
каталитич. ансамбли); преобразование химич. энергии в осмотическую работу;
окислительное
фосфорили-рование, т. е. сопряжение процессов окисления с накоплением
энергии в макро-эргических соединениях. Особенности взаимодействия поверхностей
ответственны за агрегацию клеток, их прикрепление к живым и неживым субстратам
(в т. ч. образование тромба при повреждении стенки сосуда, сорбция вирусов
на клетках и т. п.). Функционирование важнейших ферментных систем (напр.,
ансамбля дыхательных ферментов) -пример гетерогенного катализа. Адсорбция
соответствующих физиологически активных веществ на поверхностях лежит в
основе <распознавания" своих и чужих макромолекул (см. Иммунология,
Компетенция, Хеморецепция), наркоза, передачи нервного импульса. В
целом П. я. в живых системах отличаются от таковых в неживой природе гораздо
большей химич. специфичностью, взаимной согласованностью во времени и пространстве.
Напр., рецепция гормона на поверхности клетки вызывает конформационный
переход (см. Конформация) ряда компонентов мембраны, что обусловливает
изменение её проницаемости и гетероката-литич. активности. Это, в свою
очередь, вызывает многочисленные физико-хи-мич. и биохимич. сдвиги в клетке,
что в совокупности и определяет её реакцию на воздействие.
По мере эволюции роль П. я. в процессах
жизнедеятельности возрастает. Так, более древний механизм обеспечения клеток
энергией - гликолиэ - осуществляется ферментами цитоплазмы, лишь
частично закреплёнными на структурах эндоплазматической сети; эволюционно
более поздний и экономичный путь получения энергии - дыхание - осуществляется
за счёт гетерокаталитич. систем (см. Окисление биологическое). У
одноклеточных организмов питание происходит путём заглатывания целых макромолекул
и их последующего расщепления внутри клетки (см. Пиноцитоз); у высших
- существенную роль играет пристеночное (контактное) пищеварение, когда
ферментативный гидролиз макромолекул пищи происходит на внешней поверхности
клетки и координирован с последующим транспортом продуктов расщепления
в клетку. См. также Проницаемость биологических мембран.
А. Г. Маленков.
Лит.: Мелвин-Хьюз Э. А., Физическая
химия, пер. с англ., кн. 2, М., 1962, с. 807; Курс физической химии, под
ред. Я. И. Герасимова, 2 изд., т. 1, М.- Л., 1969; Успехи коллоидной химии,
под ред. П. А. Ребиндера и Г. И. Фукса, М., 1973; Гиббс Д ж. В., Термодинамические
работы, пер. с англ., М.- Л., 1958; Р у с а-н о в А. И., Фазовые равновесия
и поверхностные явления. Л., 1967; Межфазовая граница газ - твёрдое тело,
пер. с англ., М., 1970; Дерягпн Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П., Адгезпя
твёрдых тел, М., 1973; 3имон А. Д., Адгезия жидкости и смачивание, М.,
1974; Семенчен-ко В. К., Поверхностные явления в металлах и сплавах, М.,
1957; Recent progress in surfase science, ed by J. F. Danielli [a. o.],
v. 1-5, N. Y.- L., 1964-72. См. также лит. при статьях Коллоидная химия,
Поверхностное натяжение. Васильев Ю. М., Маленков А. Г., Клеточная
поверхность и реакции клеток, Л., 1968; П а с ы н-с кий А. Г., Биофизическая
химия, 2 изд., М., 1968; Surface phenomena in chemistry and biology, L.-
[a. o.], 1958; Surface chemistry of biological systems, N. Y.- L., 1970.
А Б В Г Д Е Ё 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