Убайдуллаев Абдулазиз Лаб-2 Т-34. Лабораторная работа 2 по курсу Коллоидная химия Исследование смачивания поверхности твердых тел и определение работы адгезии
 Скачать 212.96 Kb.
|
|
Филиал Российского Химико-Технологического Университета имени Д.И. Менделеева в Ташкенте КАФЕДРА КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ Лабораторная работа №2 по курсу «Коллоидная химия» Исследование смачивания поверхности твердых тел и определение работы адгезии Подготовили: Студенты 3-ого курса Группы Т-34 Аширханов Б., Убайдуллаев А. Ташкент 2021 Цель работы: Определите работы смачивания и работы адгезии; Изучение влияния адсорбции ПАВ на смачивания твёрдых тел, поверхностей методам измерения краевых углов. Порядок выполнения работы: Для проведения работы необходимы - прибор для определения краевых углов - прибор для измерения поверхностей натяжения жидкости - колбы ёмкостью 50мл - микрошприц - пластинки полимера (политетрафторэтилен – тефлон) - раствор ПАВ (олеат натрия) Готовят 5-6 водных растворов ПАВ различных концентраций. Измерим краевые углы θ на границах раздела фаз. Измерения проводят 3 раз и значения θ находят как среднее арифметическое. По формулам рассчитаем работу адгезии и работу смачивания для каждого раствора. Строят изотерму смачивания cos θ= ƒ(Cпав) и кривую зависимости работы смачивания от концентраций. По ним определим точку инверсии смачивания, т.е. концентрации ПАВ, при которой поверхность исследуемой полимера становится гидрафильной. Выполнение работы 1.Измерение краевого угла:  Т.к. у нас есть значение краевого угла, мы находим cosθ и среднее значение cosθ. 2. Измерение поверхностного натяжения:  Работа смачивание в зависимости от знака косинуса краевого угла может быть либо положительной, либо отрицательной. 3. Расчет работы адгезии:  Таблица с экспериментальными данными и вычислениями: ПАВ – олеат натрия  Графики:   Вывод: В лабораторной работе №2, мы измерили краевой угол и наблюдали за процессом, следующий этап мы измерили краевой угол с помощью горизонтальным микроскопом. В конце мы сделали все необходимые расчеты, построили графики и ответили на вопросы Ответы на вопросы Что такое поверхностное натяжение и в каких единицах оно измеряется? Поверхностное натяжение - работа, совершенная при создании 1м2 новой поверхности при разрыве межмолекулярных связей. Измеряется в Дж/м2 или в Н/м. Как зависит поверхностное натяжение от природы вещества, образующего поверхность (межмолекулярного взаимодействия)? Поверхностное натяжение зависит от природы, т.е. от сил притяжения между молекулами. Чем сильнее межмолекулярные связи, тем больше поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей, имеющих слабые межмолекулярные связи, и больше у полярных жидкостей. Большим поверхностным натяжением обладают вещества с водородными связями. У твердых веществ больше поверхностное натяжение из-за большей силы межмолекулярного взаимодействия. Что называют адгезией и смачиванием? Какие параметры используют для их количественной характеристики? Адгезия - межфазное взаимодействие 2-х разных фаз, приведенных в контакт, сопровождающееся снижением поверхностной энергии. Количественной характеристикой адгезии является работа адгезии (Wa) – работа, затрачиваемая на разрыв адгезионного соединения. Уравнение Дюпре для работы адгезии: 𝑊𝑎 = 𝜎31 + 𝜎21 − 𝜎32 Смачивание - межфазное взаимодействие между приведенными в контакт тремя фазами. Количественной характеристикой смачивания является угол смачивания (краевой угол, 𝜃). Уравнение Юнга для краевого угла: 𝜎31 = 𝜎32 + 𝜎21 cos 𝜃; cos 𝜃 = 𝜎31𝜎−21𝜎32 Покажите взаимосвязь между адгезией и способностью жидкости смачивать твердую поверхность. В чем состоит различие между явлениями адгезии и смачивания? Адгезия жидкости к твердому телу сопровождается смачиванием его поверхности, т.е. адгезия и смачивание - это две стороны одного и того явления. Адгезия обуславливает взаимодействие между твердым телом и контактирующей жидкостью, а смачивание - явление, которое имеет место в результате этого взаимодействия. Уравнение Дюпре-Юнга: 𝑊𝑎 = 𝜎21(1 + cos 𝜃) Различие состоит в том, что смачивание имеет место при наличии 3-х сопряженных фаз. Как влияет природа твердого тела и жидкости (межмолекулярное взаимодействие в них) на смачивание и адгезию? Поверхностное натяжение и межмолекулярные взаимодействия внутри фаз обусловливают процессы смачивания, растекания капли жидкости на твердых и жидких поверхностях, а также явления когезии и адгезии. Адгезия в значительной степени определяется природой функциональных групп молекул контактирующих веществ. Например, близкие значения работы адгезии к воде имеют соединения с одинаковыми функциональными группами (в двухфазных системах жидкость-жидкость). Смачивающая способность жидкостей и адгезионное взаимодействие их с твердыми телами определяются природой веществ, составляющих эти фазы. Решающее значение при этом играет состояние поверхности твердого тела и его поверхностное натяжение Дайте характеристику и приведите примеры гидрофильных и гидрофобных поверхностей. Как можно повлиять на смачивание поверхности? Если между нанесенными на поверхность водой и неполярным углеводородом краевой угол меньше 90° со стороны воды, то поверхность называют гидрофильной или олеофобной. Если же краевой угол меньше 90° со стороны углеводорода, то поверхность будет олеофильной или гидрофобной. Гидрофильную поверхность имеют, например, оксиды и гидроксиды металлов, силикаты, сульфаты, карбонаты. Гидрофобной поверхностью обладают органические с большим содержанием углеводородных групп, сульфиды металлов и др. Эффективно влиять на смачивание можно с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ): при добавлении ПАВ в водные растворы краевые углы капель на гидрофобных поверхностях уменьшаются, и наблюдается переход от несмачивания к смачиванию. Чем обусловлено улучшение смачивания водой гидрофобных поверхностей при введении в нее ПАВ? Роль ПАВ при смачивании, например, водой поверхности неполярных материалов иллюстрирует рисунок:  При введении ПАВ в смачивающую жидкость молекулы (ионы) ПАВ адсорбируются на межфазных поверхностях. В адсорбционных слоях полярные группы молекул обращены в сторону полярной фазы (воды), а неполярные части молекул — в сторону неполярных фаз, то есть твердого тела и воздуха. Адсорбция в свою очередь вызывает снижение поверхностных натяжений на границах раствор-воздух и твердое тело-раствор. Из закона Юнга следует, что такое снижение величин σ31 и σ21 ведет к росту cosθ, то есть к улучшению смачивания. Что такое углы натекания и оттекания и как по ним можно найти равновесный краевой угол? При наличии гистерезиса смачивания различаются краевые углы натекания и оттекания. При увеличении капли формируется краевой угол натекания, а -при ее уменьшении — краевой угол оттекания. Статические углы натекания и оттекания, формирующиеся при изменении количества жидкости в капле (а) и угла наклона поверхности (б) т. е. максимальный угол — угол натекания и минимальный угол — угол оттекания.  cos 𝜃 = cos𝜃нт + Ψнт/𝜎21 cos 𝜃 = cos 𝜃от − Ψот/𝜎21 Как влияет неоднородность и шероховатость твердых поверхностей на их смачивание и адгезию? Шероховатость поверхностей твердых тел изменяет равновесный угол и характеризуется микрорельефом поверхности твердого тела, т. е. наличием на ней выступов и впадин . Влияние шероховатости на равновесный краевой угол легко учесть при условии, что размер капли значительно больше среднего размера выступов и впадин на поверхности. При смачивании cosθ>0, поэтому шероховатость, увеличивая cos θ, уменьшает угол смачивания, т. е. смачивание улучшается. Если cosθ < 0 (лиофобная поверхность), то шероховатость, увеличивая отрицательную величину cos θ, способствует росту угла смачивания, т. е. смачивание ухудшается. Максимальная адгезия твердых тел практически недостижима из-за неровности их поверхностей, соприкосновение которых происходит только в отдельных точках. Что такое коэффициент Гаркинса? Каковы условия растекания жидкостей? Нулевому краевому углу соответствует равенство между работой адгезии между жидкостью и смачиваемой поверхностью и работой когезии смачивающей жидкости Wa=Wk. Разность этих работ фактически является работой растекания. Она выступает в качестве количественной характеристики растекания и носит название коэффициента растекания по Гаркинсу: 𝑓 = 𝑊𝑎 − 𝑊𝑘 Условием растекания служит коэффициент Гаркинса. Из выражения следует, что растекание жидкости возможно в случае если работа сил адгезии Wa будет больше работы сил когезии Wk, то есть f >0. В случае же когда работа адгезии меньше работы когезии и f <0, растекание не происходит, а жидкость на поверхности твёрдого тела или другой жидкости образует капли с менискообразной или округлой формой. Как влияет кривизна поверхности и природа жидкости на ее внутреннее давление? Каковы причины поднятия (опускания) жидкостей в капиллярах? Если поверхность жидкости не плоская, а искривленная, то она оказывает на жидкость избыточное давление. Это давление, обусловленное силами поверхностного натяжения, для выпуклой поверхности положительно, а для вогнутой поверхности – отрицательно. Причинами поднятия жидкости в капилляре является неуравновешенное электромагнитное поле поверхностного слоя жидкости, контактирующее с электромагнитным полем стенок капилляра. Убайдуллаев Абдулазиз Т-34 Задача №1  Решение: ƒ =  ж1г - ж2г - ж1ж2 = 72,75 – 21,80 – 51,4 = -0,45Ответ: Растекания не происходит  Решение:    |