Міжфазна поверхня (англ. interface (matter) or interfacial surface) у фізиці та хімії поверхні — це межа між двома просторовими областями, зайнятими різною речовиною або матерією в різних фізичних станах.
З точки зору математики, міжфазна поверхня розглядається як межа або край об'ємного тіла, двовимірне топологічне утворення, геометрична фігура, кожна точка якої та її оточення можуть бути відображені в проєкції на площину без розриву. В малих проміжках часу поняття неперервності та квантування не суперечать одне одному і пов'язані між собою в просторі та часі. Неперервна лінія як і неперервна поверхня складаються із окремих дискретних точок. Точка може рухатися на поверхні лише у двох напрямках. Неперервний рух об'єкта складається із множини окремих стрибків. Міжфазна поверхня може бути, зокрема, оболонкою певного тіла, місцем його контакту з іншими тілами, сукупністю точок, розташованих на краю фізичного тіла, або межею об'ємного фізичного тіла — у загальному випадку поверхня являє собою деяку деформовану площину. Поверхня та об'єм — дві різні просторові характеристики одного й того ж тіла. Під об'ємом розуміється тривимірна частину простору, яка обмежена замкнутою поверхнею. Це може бути порожнина (пустота) або ж наповнення певної форми речовиною: твердим тілом, рідиною, газом або плазмою. Геометрично, об'єм можна представити у вигляді сукупності точок та спроектувати на поверхню, так він вироджується в поверхню, поверхня — в лінію, лінія — в точку. Об'єм контактує із іншими тілами поверхнею.
Поверхня у фізиці і хімії поверхні, перш за все, розглядається як міжфазне утворення, кордон між твердим тілом, рідиною та газом. Типовими міжфазними поверхнями є границя поділу між відмінними видами речовини, які перебувають у різних агрегатних станах, наприклад, міжфазні поверхні тверде тіло — газ SG, рідина — газ LG, тверде тіло — рідина SL. У рамках фізики і хімії поверхні досліджується поведінка атомів та молекул газу (повітря) GM, рідини LM та йонів І на кордоні твердого тіла S, рідини L та газового (повітряного) середовища G (AIR).
Молекулярна природа міжфазної поверхні
Спорідненість неперервності та квантування відбивається також і на динаміці фізичних поверхневих явищ. Якщо два тіла привести в контакт, то їх стани будуть змінюватись, доки між ними встановиться термодинамічна рівновага. На межі тіла, на міжфазній поверхні його властивості проявляються найбільш явно. Тут атоми та молекули кожної фази оточені атомами та молекулами своєї та суміжної фаз і проявляють себе з двох сторін — зі сторони об'єму та зі сторони сусідньої речовини. У той час як молекули всередині об'єму тіла взаємодіють виключно з оточуючими молекулами, подібними собі, то молекули поверхні взаємодіють одночасно з молекулами об'єму і з молекулами сусідньої речовини. У двовимірному полі міжфазної поверхні молекула бачиться більш об'ємно та панорамно. Знаючи властивості атомів та молекул, що находяться на поверхні, у двох протилежних напрямах, в напрямку об'єму і назовні, можна з високою вірогідністю спрогнозувати їх поведінку. Поверхня відкриває нові відомості про речовину. «Хочу стояти як можна ближче до краю, ризикуючи впасти. Із краю бачиться те, чого не видно із середини». (I want to stand as close to the edge as I can without going over. Out on the edge you see all the kinds of things you can't see from the center (Kurt Vonnegut. Player Piano).
Квантові процеси, що мають місце в атомі, між атомами в молекулі та між молекулами мають різну природу і визначають агрегатний стан речовини. На межі фаз молекули кожної фази оточені молекулами своєї та суміжної фаз, тож, взаємодіють не тільки з молекулами своєї фази, але й з молекулами суміжної фази. В основі міжмолекулярних зв'язків лежать сили ван дер Ваальса: диполь-дипольна взаємодія Кеезома, індукційна взаємодія Дебая, дисперсійна взаємодія Лондона та водневий зв'язок. Фізико-хімічні моделі диполь-дипольної взаємодії Кеезома, індукційної взаємодії Дебая та дисперсійної взаємодії Лондона добре виписані й дозволяють математично визначити величину та напрямок діючих сил. Для пояснення величини та характеру дії вандерваальсових сил можна використати також потенціал Ленарда-Джонса Хімічним зв'язкам ми завдячуємо виникненню молекул, хімічних сполук, кристалів тощо. Тверді тіла можуть утворюватися також за рахунок металічного зв'язку як результат формування макромолекул. Виникнення хімічного зв'язку супроводжується зменшенням повної енергії всіх складних утворень.
Сили молекулярної взаємодії найбільш суттєво проступають у поверхневих фізичних та хімічних явищах змочування, адгезії, когезії, капілярного ефекту, адсорбції та абсорбції, які спостерігаються на міжфазних поверхнях тверде тіло — рідина, тверде тіло — газ (повітря) та рідина — газ (повітря) і вивчаються в межах хімії поверхні та фізики поверхні. Дослідження різних явищ допомагає здолати невизначеності та встановити непомітні раніше зв'язки, бо все, що розглядається окремо, насправді тісно пов'язане між собою. Ці явища застосовні окремо або в поєднанні з іншими, наприклад, для побудови систем гідроенергетики міжфазної поверхні.
Ваговиті атрибути поверхні не применшують значення об'єму — знання поверхні дозволяє краще зрозуміти та контролювати об'єм. Міжфазна поверхня — найбільш антагоністична та агресивна частина об'єму. Міжфазна поверхня демонструє енергію, об'єм нею послуговується.
Термодинамічні потенціали Гіббза та поверхневий натяг
Термодинаміка — більш загальна наука, ніж просто наука про перебіг теплових процесів, як це може витікати з її назви. Скоріш, це наука про енергетичні перетворення. Методологія термодинаміки є універсальною й певною мірою поширюється чи не на всі відомі нам енергетичні процеси мікросвіту та макросвіту. Агрегатний стан робочого тіла як багатокомпонентної термодинамічної молекулярної системи будь то рідина, чи газ у світлі першого та другого законів термодинаміки можна охарактеризувати як традиційними термодинамічними параметрами, як-от тиск р [Па], густина ρ [кг/м3], об'єм V [м3], температура T [К], так і специфічними показниками — термодинамічними потенціалами, зокрема, внутрішньою енергією U [Дж], ентропією [Дж], ентальпією H [Дж] та вільною енергією Гіббза GS [Дж]. Внутрішня енергія є базовим термодинамічним потенціалом і фізично являє собою потенціальну енергію, що описує поле консервативних сил. Вільна енергія Ґіббза є функцією тиску р [Па] та температури Т [К], вона названа в честь американського фізика, хіміка та математика Джозайя Вілларда Гіббза, котрий вніс суттєвий вклад у вивчення поверхневих явищ. Вказані характеристики поєднані у фундаментальному рівнянні термодинаміки, що характеризує зміну внутрішньої енергії молекулярної системи в залежності від зміни термодинамічних параметрів та враховує всі види робіт, які може виконувати молекулярна система, dU = TdS — p·dV + φ·dq + γ·dA + m·g·dh + H·dM + Σμi·dNi,
де T [К] — температура, р [Па] — тиск, S [Дж/К] — ентропія, dS [Дж/К] — нескінченно мала зміна ентропії, V — об'єм [м3], dV [м3] — нескінченно мала зміна об'єму, φ [В] — різниця потенціалів, dq [Кл] — нескінченно мала зміна заряду, m [кг] — маса речовини, g [м·с–2] — прискорення вільного паління, g = 9,81 м·с–2 біля поверхні Землі, h [м] — переміщення компонентів системи по висоті, γ [Н/м] — поверхневий натяг, dA [м2] — нескінченно мала зміна площі поверхні, H [A/м] — напруженість магнітного поля, dM [A/м] — нескінченно мала зміна намагніченості, μi [Дж/моль] — хімічний потенціал i-ї частинки, Ni — число частинок.
Хімічний потенціал μi [Дж/моль] демонструє спроможність системи виконати певну роботу. Чисельно він дорівнює енергії, яку слід задіяти для того, щоб система увійшла в стан термодинамічної рівноваги після включення в неї нового компонента. Хімічний потенціал є частковою похідною вільної енергії Гіббза GS [Дж],
μi = ∂GS/∂Ni.
Звичайною в природі є взаємодія різних тіл. Коли два компонента починають контактувати один з одним, виникає міжфазна поверхня, яка змінює хід термодинамічних процесів, що відбуваються в молекулярних системах цих складових тіл. Зміни термодинамічних параметрів можна представити у вигляді системи рівнянь,
Ni = Niα + Niβ+ NiS;
UIN = Uα + Uβ+ US,
де Niα, Niβ — число компонентів в об'ємах фаз α та β, NiS — кількість частинок на міжфазній поверхні, UIN [Дж] — повна енергія системи, Uα [Дж] та Uβ [Дж] — внутрішня енергія компонентів в об'ємі фаз α та β компонентів. Об'ємом міжфазної поверхні VS [м3] можна знехтувати в порівнянні з об'ємом фаз Vα [м3] та Vβ [м3] (ідеальна поверхня не має об'єму) тобто VS = 0.
Із останнього рівняння визначається поверхнева енергія US [Дж], US = UIN — Uα — Uβ = UIN — uαVα — uβVβ,
де uα та uβ [Дж/м3] — внутрішня питома енергія компонентів на одиницю об'єму фаз α та β.
Відповідно, число молекул, які вміщаються на міжфазної поверхні Niσ, можна визначити із рівняння, яке пов'язує число компонентів, NiS = Ni — Niα — Niβ = Ni — сiα·Vα — сiβ·Vβ,
де сiα [моль/м3] та сiβ [моль/м3] — концентрація і-го компонента в об'ємі фаз α та β.
Із рівняння «компонентів» можна визначити так званий поверхневий надлишок ГiS [моль/м2], який дорівнює числу молекул, що припадають на одиницю площі поверхні А [м2], ГiS = NiS/А, де NiS — число молекул, які вміщаються на міжфазної поверхні.
Поверхневий надлишок ГS [моль/м2] встановлює співвідношення між адсорбційними та енергетичними характеристиками поверхневого шару для розчину через рівняння Гіббза, ГS = [с/(R·T)](–dγ/dc), де с [моль/м3] — об'ємна концентрація розчиненої речовини, R [Дж/(моль·К)] — газова стала, R = 8,31446 Дж/(моль·К), γ [Н/м] — поверхневий натяг або коефіцієнт поверхневого натягу, T [К] — температура.
Фізичний зміст поверхневого надлишку ГS [моль/м2] — надлишкова концентрація розчиненої речовини в поверхневому шарі розчину порівняно з його об'ємною концентрацією с [моль/м3]. Величина поверхневого надлишку ГS показує, яку кількість речовини потрібно додатково внести в систему для того, щоб при збільшенні поверхні розділу фаз на одиницю склад об'ємних фаз не змінився. Величина dγ/dc свідчить про поверхневу активність речовини. У разі, якщо dγ/dc < 0, тоді ГS > 0, розчинена речовина є поверхнево активною і накопичується у поверхневому шарі рідини. У разі, якщо dγ/dc > 0, тоді ГS < 0, розчинена речовина є поверхнево неактивною, її концентрація в поверхневому шарі рідини менша, ніж в об'ємі.
Згідно теорії Ленгмюра, утворення щільного мономолекулярного шару з молекул ПАР на поверхні розчину свідчить про досягнення стану граничної адсорбції.
Для чистої рідини початкове рівняння енергетичної рівноваги значно спрощується. Вільна енергія поверхні
GS = γ·A + Σμi·NiS.
Розділивши праву та ліву частини рівняння цього на площу поверхні А [м2], отримуємо
GS/А = γ + Σμi·NiS/А = γ + Σμi·ГSi,
де ГSi [моль/м2] — поверхневий надлишок.
Для одиниці поверхні ГS = 0, тож, рівняння (2.32) скорочується. У випадку чистої рідини вільна енергія Гіббза одиниці поверхні gS [Дж/м2] дорівнює поверхневому натягу рідини γ [Дж/м2], gS = GS/А = γ.
Робота Wmax [Дж] по утворенню нової поверхні, яку система виконує внаслідок перебігу ізотермічного оборотного процесу, чисельно дорівнює зменшенню енергії Гіббза (ізобарно-ізотермічного потенціалу) ΔGS [Дж] системи,
ΔWmax = –ΔGS [Дж].
Для одиниці поверхні
ΔWmax/A = –ΔGS/A = γ.
Тож, поверхневий натяг дорівнює надлишку енергії Гіббза, що припадає на одиницю площі поверхні. Поверхневий натяг можна також представити як приріст вільної енергії Гіббза у відповідь на зростання площі поверхні.