Все жидкости и твердые тела ограничены внешней поверхностью, на которой они соприкасаются с фазами другого состава и структуры, например, с паром, другой жидкостью или твердым телом. Свойства вещества в этой межфазной поверхности, толщиной в несколько поперечников атомов или молекул, отличаются от свойств внутри объема фазы. Внутри объема чистого вещества в твердом, жидком или газообразном состоянии любая молекула окружена себе подобными молекулами. В пограничном слое молекулы находятся во взаимодействии или с разным числом молекул (например, на границе жидкости или твердого тела с их паром), или с молекулами различной химической природы (например, на границе двух взаимно малорастворимых жидкостей). Чем больше различие в напряженности межмолекулярных сил, действующих в каждой из фаз, тем больше потенциальная энергия межфазовой поверхности, кратко называемая поверхностной энергией.
Работу, затрачиваемую на изотермическое и обратимое образование единицы новой поверхности раздела фаз и равную изменению энергии Гиббса в соответствующем процессе (см. § 67), называют удельной свободной поверхностной энергией (σ). В случае границы двух конденсированных фаз эту величину называют пограничным, а для границы жидкости с ее парами — поверхностным натяжением.
Поверхностное и пограничное натяжение выражаются в единицах работы, деленных на единицы площади (напомним, что 1 эрг = 1 дин·см = 10−7 Дж; 1 м2 = 104 см2):
1 эрг/см2 = 10−3 Дж/м2 = 1 дин/см
Значение σ зависит от природы соприкасающихся фаз, температуры и добавок растворенных веществ.
Для большинства чистых жидкостей на границе с воздухом, насыщенным их парами (малополярной средой) поверхностное натяжение находится в пределах 1—5·10−2 Дж/м2, а для сильно полярной жидкости — воды — при 20 °C σ = 7,275·10−2 Дж/м2. С повышением температуры величина σ уменьшается (ослабление межмолекулярного взаимодействия), и при критической температуре, когда исчезает граница между жидкостью и паром, σ = 0.
Для расплавленных солей при 400—1000 °C σ ≈ 0,15 Дж/м2. Для ртути при комнатной температуре σ ≈ 0,48 Дж/м2. Для других металлов в расплавленном состоянии σ достигает 1 Дж/м2 и более.
Все самопроизвольные процессы происходят в направлении уменьшения энергии Гиббса (см. § 67). Аналогично на границе раздела фаз самопроизвольно происходят процессы в направлении уменьшения свободной поверхностной энергии, равной произведению ее удельного значения (σ) на площадь поверхности (S). Во всех системах произведение σS стремится к минимальному значению, возможному для данной системы при сохранении постоянства ее объема. Вследствие этого дисперсные системы принципиально термодинамически неустойчивы.
Если σ постоянно, то самопроизвольно происходят процессы в направлении уменьшения суммарной поверхности (S), приводящие к уменьшению дисперсности, т. е. к укрупнению частиц. Поэтому происходит слияние мелких капель в туманах, дождевых облаках и эмульсиях, агрегация высокодисперсных частиц в более крупные образования. Все это приводит к разрушению дисперсных систем: туманы и дождевые облака проливаются дождем, эмульсии расслаиваются, коллоидные растворы коагулируют, т. е. разделяются на осадок дисперсной фазы (коагулят, рис. 89, б, в) и дисперсионную среду, или, в случае вытянутых частиц дисперсной фазы, превращаются в гель (рис. 89, а).
Способность раздробленных систем сохранять присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью. Агрегативная неустойчивость коллоидного состояния вещества отличает его от агрегативно устойчивых грубодисперсных и молекулярных систем. Агрегативной неустойчивостью коллоидного состояния вещества обусловливается изменчивость коллоидных систем как во времени, так и под влиянием добавок разнообразных веществ *.
Если в той или иной системе величина поверхности не может изменяться, то самопроизвольное убывание произведения σS осуществляется путем уменьшения σ на границе раздела фаз. Это является причиной адсорбционных процессов (см. § 109), состоящих в изменении концентрации и состава веществ на границе раздела фаз. Общая направленность самопроизвольных процессов к уменьшению свободной поверхностной энергии не только является причиной лабильности высокодисперсных систем, но и открывает путь стабилизации дисперсности путем изменения межфазовых поверхностей (см. § 113).
Высокодисперсное состояние вещества — качественно особая форма его существования. Поэтому область естествознания, изучающая объективные физические и химические закономерности поверхностных явлений и гетерогенных высокодисперсных систем, сформировалась в самостоятельную научную дисциплину, называемую коллоидной химией.
* В учение об агрегативной неустойчивости как качественной особенности коллоидного состояния вещества и в развитие представлений о стабилизаторах дисперсности большой вклад внес Николай Петрович Песков (1880—1940) — профессор Московского химико-технологического института имени Д. И. Менделеева.