Сұйықтықтардың беттік керілуін сипаттаудағы Гиббс пен Ленгмюр модельдерінің салыстырмалы анализі

Б.М.Мәмет, М.Б.Ахтаева

Аңдатпа. Бұл тезисте физикалық және коллоидты химия ғылымының іргелі тақырыптарының бірі —сұйықтықтардың беттік керілуін сипаттаудың екі түрлі тұжырымдамасы қарастырылды. Зерттеудің негізгі мақсаты - Дж. Гиббстің термодинамикалық моделі мен И. Ленгмюрдің молекулалық-кинетикалық теориясына салыстырмалы талдау жүргізу болып табылады. Бұл жұмыс барысында АҚШ, Германия және Қазақстанның жетекші ғалымдарының теориялық еңбектері мен эксперименттік нәтижелерін пайдалана отыра салыстырмалы талдау жасалды. Салыстырмалы талдау нәтижесінде Гиббс моделінің макроскопиялық жүйелердің артық энергиясын сипаттаудағы әмбебаптығы мен Ленгмюр моделінің мономолекулалық қабаттардың қалыптасу механизмін түсіндірудегі тиімділігі анықталды. Бұл алынған нәтижелер беттік құбылыстарды модельдеу мен нанотехнологиялық процестерді оңтайландыру үшін маңызды деп есептеледі.

Кілт сөздер: беттік керілу, Гиббс моделі, Ленгмюр изотермасы, адсорбция, салыстырмалы анализ, термодинамика.

Аннотация. В данной статье рассматриваются две различные концепции описания поверхностного натяжения жидкостей, одной из фундаментальных тем физической и коллоидной химии.Основная цель исследования — проведение сравнительного анализа термодинамической модели Дж. Гиббса и молекулярно-кинетической теории И. Лангмюра. В ходе работы был проведен сравнительный анализ с использованием теоретических работ и экспериментальных результатов ведущих ученых из США, Германии и Казахстана.Сравнительный анализ выявил универсальность модели Гиббса в описании избыточной энергии макроскопических систем и эффективность модели Лангмюра в объяснении механизма образования мономолекулярных слоев. Эти результаты считаются важными для моделирования поверхностных явлений и оптимизации нанотехнологических процессов.

Ключевые слова: поверхностное натяжение, модель Гиббса, изотерма Ленгмюра, адсорбция, сравнительный анализ, термодинамика.

Abstract. This article examines two different concepts for describing the surface tension of liquids, one of the fundamental topics of physical and colloid chemistry. The main objective of the study is to conduct a comparative analysis of the thermodynamic model of J. Gibbs and the molecular kinetic theory of I. Langmuir.During the study, a comparative analysis was conducted using theoretical work and experimental results from leading scientists from the United States, Germany, and Kazakhstan. The comparative analysis revealed the universality of the Gibbs model in describing the excess energy of macroscopic systems and the effectiveness of the Langmuir model in explaining the mechanism of monomolecular layer formation. These results are considered important for modeling surface phenomena and optimizing nanotechnology processes.

Keywords: surface tension, Gibbs model, Langmuir isotherm, adsorption, comparative analysis, thermodynamics.

Қазіргі заманғы физикалық химия мен нанотехнологияның қарқынды дамуы фазааралық шекаралардағы құбылыстарды терең іргелі зерттеуді талап етеді. Сұйықтықтардың беттік керілуі — бұл жай ғана физикалық параметр емес, бұл дисперсті жүйелердің тұрақтылығын, адсорбциялық процестердің тиімділігін және жаңа композициялық материалдардың қасиеттерін анықтайтын негізгі фактор болып табылады.

Осы саладағы теориялық ізденістердің бастауында тұрған Дж. Гиббс пен И. Ленгмюр модельдері бір-бірін толықтыра отырып, микро және макро деңгейдегі процестерді сипаттауға мүмкіндік береді. Алайда, заманауи ғылымда бұл модельдерді салыстыра отырып, олардың қолдану шекараларын нақтылау — әлі де болса өзекті мәселе болып отыр. Бұл бағытта АҚШ (MIT, Гарвард), Германия (Макс Планк институты) және Қазақстан (ҚазҰУ) ғалымдарының интеграцияланған зерттеулері ерекше маңызға ие [Miller et al., 2020].

Беттік құбылыстарды зерттеудегі іргелі мектептердің бірі — Америкалық мектеп десек болады. Дж. Гиббстің термодинамикалық потенциалдар теориясы сұйық жүйелердің энергетикалық күйін сипаттаудың математикалық аппаратын қалыптастырды. Сонымен қатар, Нобель сыйлығының лауреаты И. Ленгмюрдің еңбектері газ-қатты дене және сұйық-газ шекарасындағы мономолекулалық қабаттардың қалыптасу механизмін ашты [Langmuir, 1918]. Америкалық зерттеушілердің бұл классикалық модельдері бүгінде наноөлшемді беттердің физика-химиясын түсінудің негізі болып табылады.

АҚШ-пен қоса тайталаса алатын -Германия ғылыми мектебі соңғы онжылдықта бұл модельдерді динамикалық жүйелерге бейімдеуде көш бастап тұр десек қателеспейміз. Макс Планк институтының ғалымдары (мысалы, Р. Миллер) Гиббс теориясын көбіктер мен эмульсиялардың тұрақтылығын болжау үшін қолдана отырып, оны цифрлық модельдеу деңгейіне дейін көтерді [Miller & Liggieri, 2009]. Германиялық ғалымдардың зерттеулері беттік керілудің уақытқа тәуелділігін (dynamic surface tension) есептеуде Ленгмюр изотермасының математикалық модификацияларын сәтті жүзеге асыруда деп есептеледі.

Отандық ғылымда беттік құбылыстарды зерттеудің өзіндік мектебі қалыптасқан десек болады.Бұл ғылымның елімізде өркендеуінде Профессор Қ. Мұсабековтың еңбегі зор десек қателеспейміз. Қ. Мұсабеков пен оның шәкірттері Гиббс пен Ленгмюр теорияларын жергілікті шикізат негізінде алынған беттік активті заттардың және полимерлердің ерітінділеріне бейімдеумен айналысуда [Musabekov et al., 2015].Әсіресе бұл су-мұнай эмульсияларын ыдырату және ауыл шаруашылығындағы топырақ құрылымын реттеудегі адсорбциялық процестерді сипаттау үшін осы екі модельдің ұштасуы маңызды нәтижелер беруде. Бұл еліміздің химия-физикалық ғылымда біртіндеп дамуға үлкен үлес болып есептеледі.

Ендігі кезекте салыстырмалы талдаудың теориялық негізіне тоқтала кетсек. Гиббс моделі сұйықтықтың бетін «беттік артық мөлшер» түсінігі арқылы, яғни жүйенің макроскопиялық термодинамикалық параметрлерінің өзгерісі ретінде қарастырған еді [Gibbs, 1928]. Ал, Ленгмюр моделі бетті молекулалардың адсорбциялануына арналған белсенді орталықтардың жиынтығы ретінде сипаттайды. Осы екі көзқарастың арасындағы айырмашылықтар мен ұқсастықтарды зерттеу — сұйық фазалардың шекарасындағы процестерді басқарудың жаңа әдістерін табуға мүмкіндік береді деп есептейді.

Гиббс — бұл жалпы көрініс (энергия), ал Ленгмюр — бұл бөлшектердің орналасуы туралы қорытынды жасайды. Салыстырмалы талдауды қорытындылай келе, екі теорияны біріктіре алсақ, біз кез келген беттік процесті басқара алуымыз мүмкін мүмкіндіктерді алуымызға болады.

Пайдаланған әдебиеттер:
1. Adamson A. W., Gast A. P. Physical Chemistry of Surfaces (Беттік құбылыстардың физикалық химиясы). 6-шы басылым. – Нью-Йорк: Wiley-Interscience, 1997. – 784 б. (85–102 бб.)

2. Miller R., Liggieri L. Interfacial Rheology (Фазааралық реология). – Берлин: Brill Publishers, 2009. – 511 б. (45–60 бб.)

3. Мұсабеков Қ.Б., Әбдиев К.Ж., Жұбанов К.А. Коллоидтық химия: Оқулық. – Алматы: Қазақ университеті, 2011. – 416 б. (124–138 бб.)