Лекции по физико-химическим методам анализа. Лекции по физикохимическим методам анализа. Лекции по физикохимическим методам анализа
 Скачать 281.5 Kb.
|
8.3. Роль поверхностных сил в дисперсных системах.Как было сказано ранее, поверхность раздела фаз находится в особом энергетическом состоянии, благодаря чему происходит адсорбция частиц на поверхности. Это особенно заметно проявляется на границе раздела газ-жидкость, где поверхностная энергия (избыток энергии в поверхностном слое жидкости по сравнению с объемным) приводит к поверхностному натяжению. Поверхностное натяжение измеряется работой образования новой поверхности раздела фаз с единичной площадью. Работа приводит к увеличению внутренней энергии и энергии Гиббса. Самопроизвольные процессы протекают с уменьшением энергии Гиббса, что объясняет стремление жидкости уменьшить поверхность и принять форму с наименьшей площадью, то-есть сферу. Пример - вода в невесомости. Большое количество жидкости может образовать сферу только в невесомости, на земле она растекается из-за силы тяжести, но малое количество может образовать почти сферические шарики на масляной поверхности. Другое проявление поверхностной энергии - стремление мелких капелек объединиться в большую, а также слипание частиц твёрдой дисперсной фазы с образованием более крупных (коагуляция). Слияние частиц эмульсии называется коалесценцией. Сцепление разнородных твердых или жидких тел за счет сил межмолекулярного взаимодействия либо химических связей называется адгезией,. При этом снижается поверхностная энергия. Адгезии противодействует когезия - сцепление молекул жидкой фазы между собой за счёт межмолекулярных сил. Снижение поверхностной энергии происходит также при адсорбции, поэтому это также самопроизвольный процесс. 8.3.1. СмачиваниеРассмотрим взаимодействие жидкости с твердым телом на границе раздела трех фаз: Ж-Г-Т или Ж-Г-Ж. Наблюдается искривление поверхности жидкости, пропитывание пористых тел или растекание жидкости по поверхности твердого или жидкого тела. Эти явления называются смачиванием. Следствием смачивания являются капиллярные явления: подъём жидкости в капиллярах и проникновение в капилляры пористых тел. Мерой смачивания является краевой угол между плоскостью смачиваемой поверхности и плоскостью, касательной к поверхности жидкости (рис.4.1). Если то смачивание полное, если 0<<то смачивание неполное, если >смачивание отсутствует. Смачивание стекла водой практически неограничено (а парафин водой не смачивается (Хорошо смачиваемые водой поверхности называют гидрофильными, плохо - гидрофобными. Краевой угол смачивания зависит от соотношения энергий адгезии и когезии. 8.3.2. Капиллярная конденсацияПоверхностное натяжение жидкости приводит к капиллярным явлениям: всасыванию жидкостей в узкие трубки (капилляры) или поры со смачиваемыми стенками и выталкиванию жидкостей из несмачиваемых капилляров (пор). За счет смачивания поверхности капилляра находящаяся в нем жидкость образует мениск вогнутой формы, давление насыщенного пара над ним ниже, чем над плоской поверхностью, поэтому возникает разность давлений, приводящая к поднятию поверхности жидкости на высоту h. Если жидкость не смачивает поверхность стекла, то мениск получается выпуклым и уровень жидкости в капилляре опускается на величину h. Капиллярное давление обратно пропорционально радиусу кривизны поверхности r (уравнение Лапласа): P =2/r. При полном смачивании в узкой трубке радиус кривизны мениска практически равен радиусу капилляра r0 и P = 2/r0; при полном несмачивании Р имеет ту же величину, но противоположно по знаку. При промежуточном значении краевого угла смачивания радиус кривизны равен : r =r0/cos и P =2cos/r. Капиллярное всасывание определяет миграцию воды в почвах, грунтах и пористых материалах, влияет на сушку пористых материалов, на поведение воды и нефти в породах. Капиллярные явления важны при образовании зародышей новой фазы, например конденсации паров в жидкость, начала кипения жидкости, кристаллизации из насыщенных растворов и др. |