Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 26 )

Совсем другое дело, когда в поверхностный слой приходят поверхностно-активные вещества, которые свободно участвуют в молекулярно-кинетических процессах и увеличивают концентрацию растворенных веществ в самом объеме поверхностного слоя, уменьшая степень его разуплотнения.

Можно предположить, что формирование диффузного слоя происходит около гидрофильных поверхностей именно потому, что здесь молекулы воды, сильнее притягиваясь к поверхности, создают большие архимедовы силы, усиливающие “всплывание” т. е. удаление растворенных молекул от стенки, способствуя уменьшению здесь их концентрации. Поэтому диффузный слой образуется в первую очередь у гидрофильных поверхностей и только изредка у гидрофобных, где относительно слабее притяжение молекул воды. Гидрофильные свойства поверхности позволяют более отчетливо проявиться молекулярно-кинетическому эффекту отталкивания растворенных молекул от стенок.

4.2. Результаты действия в природе осмотической составляющей СРПС воды

4.2.1. Создание микропородиффузионного каталитического эффекта – МДК-эффекта

Основываясь на изложенных выше представлениях об осмотической составляющей СПРС (О–СРПС), я выдвинул идею о существовании неизвестного ранее физического эффекта, названного микропородиффузионным каталитическим эффектом (МДК-эффект). Сущность его заключается в следующем. В ультратонких порах (микропорах) диаметром меньше двух средних расстояний между молекулами растворенного в жидкости вещества происходят одновременно два процесса: 1) ускорение движения этих молекул к выходу из микропор за счет действия осмотической составляющей СРПС как силы, выталкивающей молекулы из нее; 2) ускорение химического взаимодействия каждой отдельно растворенной молекулы со стенками микропор за счет более частого соударения с ними. Чем тоньше микропора, тем быстрее эти процессы, тем больше ускоряются химические реакции внутри микропор. Рассмотрим последовательно эти процессы.

4.2.1.1. Объяснение причин направленного движения молекул к выходу из микропор

1. Первый вариант объяснения. После подробного рассмотрения диффузионных процессов в объеме газов и жидкостей и у стенок сосудов мы приступили к объяснению механизмов диффузии в заполненных жидкостью микропорах, т. е. проявлению микропородиффузионного каталитического эффекта (МДК-эффекта). Что такое микропора? Это просто стенки сосуда, сближенные до расстояния, меньшего двух средних расстояний между молекулами растворенного вещества. Поэтому все описанные выше особенности поведения молекул у стенок сосудов проявляются и здесь, но в несколько иной форме.

Возьмем сначала клиновидно или конусовидно сужающуюся микропору. В тех частях, где ее диаметр становится меньше двух средних расстояний между молекулами растворенного вещества, вероятностный контур хаотического пробега молекулы до соударения с одноименными молекулами и стенками микропор становится асимметричным. Если определить точнее, то асимметрия начинает проявляться при диаметре микропоры меньше величины

где d – диаметр микропоры;

l – среднее расстояние между молекулами растворенного вещества;

a – угол выклинивания микропоры.

Эту величину можно вычислить из простых геометрических построений на рис. 18. Начиная с этого диаметра объем контура уменьшается в той части, которая обращена внутрь микропоры. Причем по мере сужения микропоры возрастает абсолютная величина разности объема этих частей вероятностного контура при все более уменьшающейся их общей величине, в связи с чем резко увеличивается соотношение между ними (рис. 19). Поэтому каждая молекула растворенного вещества из-за относительно большей длины хаотического пробега будет дольше задерживаться в обращенной наружу части контура, отчего вероятность сместиться именно в эту сторону для нее больше. Поэтому она будет стремиться диффундировать в этом направлении, и тем быстрее, чем больше сужается микропора.

В микропоре с одинаковым поперечным сечением на всем ее протяжении вероятностный контур пробега растворенной молекулы имеет асимметричную конфигурацию только у выхода из нее. Такая асимметрия сохраняется на протяжении длины микропоры, немного меньшей среднего расстояния между растворенными молекулами, и на такое же расстояние от устья за ее пределами. Величина рассматриваемого интервала (рис. 20) определяется в соответствии с теоремой Пифагора

Рис. 18. Схема механизма возникновения направленного движения молекул растворенного в жидкости вещества (кружки) к выходу из клиновидно сужающейся микропоры при МДК-эффекте. Круговые линии с зигзагообразными радиальными линиями –

вероятностные контуры хаотического пробега молекул растворенного до соударения с соседними одноименными молекулами и стенками микропор. Треугольники – разница площадей двух частей контура пробега молекул, обращенных наружу и внутрь микропоры. Стрелки внутри контуров – направление движения молекул к выходу из микропор. l ­ – интервал микропоры, в котором создается движение молекул к выходу из микропор; d – диаметр микропоры, начиная с которого происходит их направленное движение; a – угол выклинивания микропоры; l – радиус вероятностного контура, равный среднему расстоянию между растворенными молекулами

Рис. 19. Диаграмма зависимости отношений площадей частей вероятностного контура пробега молекулы, обращенных наружу (S1) и внутрь (S2) сужающейся микропоры, от расстояния (Х) в направлении к выходу из нее. Точка l (ограничивает интервал проявления микропородиффузионного эффекта внутри микропоры

В указанном интервале должно проявляться направленное движение растворенных молекул к выходу из микропоры. Внутри нее, в удалении от устья на расстояние больше n / 2, вероятностный контур имеет симметричную конфигурацию и вытянутые в обе стороны контурные очертания. Поскольку на выходе из микропоры создается поток молекул, это должно сопровождаться движением молекул из более глубоких частей микропоры, т. е. в устье микропоры как бы действует насос, который отсасывает молекулы из нее наружу.

2. Второй вариант доказательства тенденции движения молекул может быть показан для случая, когда происходит упругий отскок молекул от стенок сосудов (если принимать молекулы как упругие шарики). Простейшие геометрическое построения, учитывая, что угол отражения равен углу падения (рис. 21), показывают, что в клиновидной микропоре, если шарик ударяется о стенку под таким углом, что сначала отскакивает по направлению внутрь микропоры, то, как минимум, после одного-двух отскоков он неизбежно повернет назад и в конце кон цов направится к выходу из микропоры. В частности, известно, что если футбольный мяч направить в угол спортивного зала, то после отскоков от двух угловых стен зала он вернется назад.

	Рис. 20. Схема механизма возникновения направленного движения молекул растворенного в жидкости вещества (кружки) к выходу из микропоры, имеющей одинаковое поперечное сечение на всем протяжении (n – зона активного движения растворенных молекул к выходу из микропоры в ее
устьевой части, где вероятностный контур имеет асимметричную конфигурацию; m – остальной объем микропоры, где диффузионный поток не способен образоваться самостоятельно вследствие симметричности вероятностного контура пробега молекулы)
Рис. 21. Второй вариант объяснения направленного движения молекул раствора из микропоры для случая упругого отскока молекул от стенок: в клиновидной микропоре с прямоугольным сечением (а), с остроугольным поперечным сечением (б), в щелевидной микропоре с субпараллельными стенками (в) (g – интервал, где стенки оказывают направляющее действие на молекулы)

В микропоре с субпараллельными стенками на определенном расстоянии от ее устья часть молекул отскакивает наружу микропоры и как бы уходит в объем раствора, т. е. с этого расстояния молекулы, совершая скачок вовнутрь, отскакиваютот стенки под определенным углом и остаются внутри микропоры, а если те же молекулы направляются под таким же углом в сторону к выходу из нее, то вместо отскока вовнутрь они выходят за ее пределы и теряются в объеме раствора. Возникает асимметрия в движении молекул, в результате чего вблизи устья микропоры как бы создается вакуум, сразу же заполняющийся молекулами, приходящими из внутренних частей микропоры. Благодаря этому должна проявляться тенденция к движению молекул к выходу из микропоры, причем в том же интервале ее длины внутри и снаружи, как и в первом варианте объяснения.

Во втором варианте предполагается, что шарики-молекулы гораздо больше по размерам молекул или атомов, из которых состоят стенки микропоры, так же как футбольный мяч в сравнении с песчаниками, слагающими бетонные стены спортивного зала.

Можно привести простейшее экспериментальное подтверждение такого движения, в определенной степени подобное движению молекул в микропорах. Возьмем трубку с конусовидным или цилиндрическим внутренним сечением, заполним ее шариками для пинг-понга, и начнем трясти в направлении снизу вверх так, чтобы она при этом все время была в горизонтальном положении. За короткое время из трубки с конусовидным сечением высыплются все шарики из ее расширенного конца, а из трубки с цилиндрическим сечением шарики высыпаются из обоих концов трубки. Встряхивание шариков имитирует хаотическое движение молекул. В результате соударения шариков со стенками трубки они приобретают направленное движение к выходу из трубки. Особенно наглядно это можно представить себе на примере трубки с конусовидным сечением, где хаотическое беспорядочное движение шариков в процессе соударения со стенками приобретает направленное движение в сторону расширенного конца трубки, так как каждый последующий отскок шарика происходит в направлении, все более приближающемся к выходу из микропоры (см. рис. 21). По такому же принципу осуществляется и направленное движение молекул растворенных веществ к выходу из микропор в этом варианте.