Тема 6 (2). Тема смачивание и растекание жидкостей явление смачивания

• Название: Тема смачивание и растекание жидкостей явление смачивания
• Дата: 12.04.2021
• Размер: 55.3 Kb.
• Имя файла: Тема 6 (2).docx
• Тип: Документы; #193834

ТЕМА 6. СМАЧИВАНИЕ И РАСТЕКАНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
6.1. Явление смачивания

Смачивание  это поверхностное явление, происходящее при взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом. Явление смачивания всегда связано с тремя граничащими фазами: твердым телом, жидкостью и газом или второй жидкостью, не смешивающейся с первой.

Если каплю жидкости нанести на поверхность твердого тела или на поверхность другой жидкости, имеющей большую плотность, то можно наблюдать три случая.

В первом случае капля растекается по поверхности неограниченно.

В во втором случае жидкость растекается по поверхности ограниченно и после наступления равновесия принимает форму капли, показанную на рисунке 6.1а.

В третьем случае жидкость не растекается, а соберется в каплю, которая, если бы не действовала сила тяжести, имела бы почти сферическую форму (см. рис. 6.1б).

В первом и во втором случаях принято говорить, что жидкость смачивает поверхность; в третьем случае – не смачивает.

П
оложение капли зависит от соотношения интенсивности межмолекулярных сил, действующих на поверхности раздела трех контактирующих фаз: твердой (Т), жидкой (Ж) и газообразной (Г). В качестве примера рассмотрим второй и третий случаи для системы «твердое тело  жидкость  газ» (см. рис. 2.1).

Рис.6.1. Растекание капли жидкости по поверхности твердого тела

а  жидкость смачивает твердое тело (_тг_тж); б  жидкость не смачивает твердое тело (_тг_тж)
Силы поверхностного натяжения на границе «твердое  газ» _тг стремятся растянуть каплю по поверхности твердого тела. Силы поверхностных натяжений на границах «твердое  жидкость» _тж и «жидкость  газ» _жг (см. рис. 6.1а) препятствуют растеканию.

Когда сумма векторов этих сил будет равна нулю, растекание прекращается, наступает равновесие, и капля жидкости принимает одну из форм, показанных на рисунке 6.1.

Условие равновесия сил может быть записано следующим образом

_тг = _тж + _жг соs  (6.1)

Откуда соs  = (6.2)

Соотношение (6.2) называется уравнением Юнга. Угол  (тэта) между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз называется краевым углом или углом смачивания. Поскольку этому определению удовлетворяют два угла, условились отсчитывать угол  в строну фазы, имеющей большую полярность. Например, в системе «твердое тело  жидкость  газ» краевой угол отсчитывают в сторону жидкости, которая полярнее газа (см. рис. 6.1), а в системе «твердое тело  вода  нефть» в сторону более полярной жидкости – воды (см. рис. 6.2).

Равновесный краевой угол  является абсолютной мерой смачивания: чем меньше , тем лучше смачивание. Косинус краевого угла (соs ) показывает степень смачивания: чем больше соs , тем больше степень смачивания. При  90, то есть 0  соs  1, поверхность смачивается данной жидкостью. Если  = 0 , то соs  = 1 наступает полное смачивание (степень смачивания 100%). При   90, то есть соs   0, поверхность не смачивается жидкостью. Границей между смачиванием и не смачиванием является краевой угол  = 90 или соs  = 0 (степень смачивания 0 %). Случай полного не смачивания  = 180 никогда не наблюдается, так как невозможно такое состояние, когда между двумя соприкасающимися фазами отсутствует взаимодействие. К случаю неограниченного растекания уравнение (6.2) неприменимо, так как полное растекание не является равновесным состоянием, краевой угол не существует.

6.2. Влияние на смачивание природы жидкости и твердого тела

Разные жидкости неодинаково смачивают одну и туже поверхность. Из уравнения (6.2) следуют два основных вывода.

Во-первых, соs  тем больше ( - меньше), чем меньше поверхностное натяжение на границе «твердое  жидкость» _тж. Иначе говоря, лучше смачивает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к твердому телу.

Во-вторых, соs  тем больше, чем меньше поверхностное натяжение на границе «жидкость  газ» _жг. Поэтому жидкости с небольшим поверхностным натяжением _жг = 20-30 мДж/м² (большинство жидких органических соединений: углеводороды, органические кислоты, спирты, эфиры) смачивают практически любую поверхность.

Наоборот, ртуть, имеющая очень большое поверхностное натяжение (_жг = 470 мДж/м²), как правило, не смачивает твердые поверхности, за исключением некоторых металлов.

Вода в атмосфере воздуха (_жг = 73 мДж/м²) смачивает многие твердые поверхности. В то же время степень смачивания зависит от природы поверхности. Вода хорошо смачивает твердые вещества с ионной или сильно полярной структурой: ионные кристаллы, оксиды и гидроксиды металлов, кварц (песок), силикаты (стекло), алюмосиликаты (глина), сульфаты, карбонаты (малахит, кальцит, мел, мрамор, известняк), слюду. Краевой угол в таких случаях обычно не превышает 45, а степень смачивания поверхности более 70 % (соs 0,7). Например, смачиваемость водой кварца характеризуется краевым углом  = 0, малахита –

 = 17. Из органических веществ гидрофильную поверхность имеет целлюлоза, что объясняется присутствием в её молекуле достаточного числа полярных групп.

Между веществом с ионной структурой и водой возникает ион  дипольное взаимодействие, которое сильнее диполь  дипольного взаимодействия между молекулами воды. Поверхности таких твердых веществ иногда называют гидрофильными.

Вещества с молекулярной (атомной) структурой плохо смачиваются водой. К таким веществам относятся твёрдые углеводороды, парафин, сера, сульфиды металлов (пирит, галенит), сажа, графит, органические полимеры (полиэтилен, тефлон). В этих случаях молекулярнодипольное взаимодействие между молекулами поверхности и молекулами воды слабее дипольдипольного взаимодействия между молекулами воды. Такие поверхности называют гидрофобными. Краевой угол в этих случаях больше 45, степень смачивания меньше 70%. Например, краевые углы воды на твёрдой поверхности равны: графит  = 60, тальк  = 69, сера  = 78 . При очень слабом взаимодействии воды с молекулами твердого тела краевой угол становится больше 90. Например, для парафина  = 106, тефлона  = 108. Вода не смачивает гидрофобные поверхности этих веществ.

Более строгое определение гидрофильной и гидрофобной поверхностей связано с явлением смачивания, когда вместо воздуха взята другая жидкость, не смешивающаяся с первой. Из двух жидкостей смачивать поверхность будет та, значение полярности которой будет ближе к полярности твердого тела. В этом случае говорят, что она обладает большим избирательным смачиванием по отношению к данной поверхности.

Для сравнительной оценки смачиваемости обычно сопоставление проводят по сравнению с водой. Если между водой и неполярной жидкостью, нанесенными на поверхность твердого тела, краевой угол меньше 90 со стороны воды, то поверхность называют гидрофильной или олеофобной. Если же краевой угол больше 90, то поверхность будет гидрофобной или олеофильной (см. рис. 6.2).

Р
ис.6.2. Угол смачивания в системе «нефть – вода – горная порода»

а)-вода смачивает породу  90, _тн  _тв; твердая поверхность гидрофильна (олеофобна); б) – вода не смачивает породу  90, _тн  _тв; твердая поверхность гидрофобна (олеофильна)
Таким образом, величина краевого угла зависит от природы среды, в которой происходит смачивание. Например, в атмосфере воздуха вода образует на поверхности графита острый угол ( = 60), а при избирательном смачивании графита в присутствии неполярной жидкости краевой угол будет больше 90. Поэтому определять гидрофильность или гидрофобность поверхности только в зависимости от того, какой краевой угол образует с поверхностью вода, соответственно острый или тупой, неправильно. Необходимо всегда учитывать природу твёрдой поверхности и среды, в которой происходит смачивание.

Следует также иметь в виду, что рассмотренные закономерности смачивания выполняются только на идеально гладких и однородных поверхностях. На поверхности реальных твёрдых тел обязательно имеются шероховатости, неоднородности, поры, трещины, загрязнения, от которых зависит краевой угол.
6.3. Понятие о когезии и адгезии

Силы притяжения, действующие между молекулами внутри одной фазы, называются силами когезии. Эти силы определяют существование веществ в конденсированном состоянии, поэтому их называют еще силами слияния. Силы, действующие между молекулами, находящимися в разных фазах, называются силами адгезии (прилипания).

Работа, необходимая для разрыва однородной объемной фазы, называется работой когезии (W_k). Ее относят к единице площади разрыва, поэтому размерность работы когезии совпадает с размерностью поверхностного натяжения (Дж/м²).

При разрыве объемной фазы образуется поверхность в две единицы площади, поэтому работа когезии равна

W_k = 2 (6.3)

где   поверхностное натяжение на границе образовавшейся поверхности с воздухом или жидкостью (если разрыв происходит в жидкой среде). Полная работа против сил когезии (А_k), приходящаяся на всю площадь разрыва (S), равна

А_k = W_kS = 2S (6.4)

Работа разрыва сил адгезии, то есть двух контактирующих фаз, называется работой адгезии (W_a). Она тоже относится к единице площади поверхности разрыва.

При разрыве двух контактирующих фаз общая поверхностная энергия увеличивается в результате образования двух новых поверхностей и уменьшается за счет исчезновения исходной межфазной поверхности. Например, при отделении в воздухе капли жидкости от поверхности твердого тела образуются две новых поверхности: «жидкость – газ» и «твердое – газ». При этом исчезает поверхность раздела «твердое – жидкость». По закону сохранения энергии работа адгезии равна (уравнение Дюпре)

W_a = _жг + _тг – _тж (6.5)

При отделении капли нефти от поверхности твердого тела в водной среде (см. рис.6.5) образуются новые поверхности «нефть – вода» и «вода – твердое», и исчезает поверхность «нефть – твердое». Поэтому работа адгезии будет равна

W_a = _{нефть-вода} + _{тв-вода} – _{тв-нефть} (6.6)
6.4. Связь смачивания и растекания с когезией и адгезией

В связи с отсутствием точных значений поверхностного натяжения на границах «твердое – газ» и «твердое – жидкость» (_тг и _тж) вычислить работу адгезии по уравнению (6.5) обычно нельзя. Задача упрощается после подстановки уравнения (6.1) в уравнение (6.5). При этом получается уравнение Дюпре – Юнга

W_a = _жг(1 + соs ) (6.7)

используя которое, можно вычислить работу адгезии по экспериментально измеренным значениям поверхностного натяжения _жг и краевого угла .

Преобразуем уравнение (2.7) следующим образом:

соs  = (W_a / _жг ) – 1 (6.8)

Из уравнения (2.8) следует, что с увеличением адгезии соs возрастает, то есть уменьшается краевой угол , увеличивается смачивание. Таким образом, адгезионные силы (силы межфазного притяжения) способствуют смачиванию.

Силы когезии, пропорциональные _жг, препятствуют растеканию жидкости. Разность работ адгезии и когезии

 = W_a – W_к (6.9)

называют коэффициентом растекания.

При   0 жидкость растекается по поверхности твердого тела или другой жидкости лишь частично. При этом возможны два случая: жидкость смачивает поверхность ( 90), и жидкость не смачивает поверхность ( 90).

Если   0, то жидкость растекается по поверхности неограниченно. Такое состояние является неравновесным и к нему неприменимо уравнение Юнга (6.2).

6.5. Влияние поверхностно - активных веществ на смачивание

Смачивающая способность жидкостей определяется природой веществ, из которых состоят контактирующие поверхности. Если изменить состав поверхностных слоев, то изменяются межфазные поверхностные натяжения (_тн , _тв и _нв), а значит и степень смачивания поверхности. Для этих целей используют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз, изменяя состав поверхности и величину межфазных поверхностных натяжений. При этом влияние ПАВ на смачивание зависит от того, на какой поверхности они адсорбируются.

Если водный раствор ПАВ наносится на гидрофобную поверхность, не смачиваемую или плохо смачиваемую водой (например, на поверхность парафина, см. рисунок 6.3), то молекулы ПАВ могут адсорбироваться как на поверхности раздела «жидкость – газ», так и на границе «жидкость – твердое». При этом молекулы ПАВ располагаются на межфазной поверхности в соответствии с правилом уравнивания полярностей: полярная группа молекулы находится в полярной воде, неполярная группа направлена в сторону неполярной газовой фазы и твердого тела (парафина).

В результате адсорбции молекул ПАВ происходит уменьшение межфазных поверхностных натяжений _тв и _вг. И тогда в соответствии с уравнением Юнга (6.2) краевой угол уменьшается, то есть поверхность твердого тела смачивается раствором ПАВ лучше по сравнению с чистой водой. С увеличением в растворе концентрации ПАВ адсорбция молекул ПАВ возрастает. В результате поверхность твердого тела становится все менее и менее гидрофобной, происходит так называемая гидрофилизация поверхности.

При достаточной концентрации ПАВ может вообще произойти переход от не смачивания к смачиванию, то есть инверсия смачивания (см. рис. 6.3).
Р
ис. 6.3. Влияние ПАВ на смачивание гидрофобного тела (гидрофилизация поверхности)

а) поверхность не смачивается водой (гидрофобная);

б) поверхность смачивается раствором ПАВ (гидрофильная)

Если поверхность гидрофильная (кварц, стекло, малахит), то вода хорошо смачивает её, и адсорбция ПАВ на ней, как правило, не происходит. В этом случае изменение значений краевого угла связано в основном с уменьшением поверхностного натяжения на границе «жидкость – газ» _жг. В соответствии с уравнением (6.2) и в этом случае смачиваемость возрастает. При некоторой концентрации ПАВ может наступить полная смачиваемость ( = 0), а затем и неограниченное растекание жидкости по поверхности твердого тела (  1).

Г
идрофильную поверхность можно превратить в гидрофобную, если обработать каким-либо ПАВ, нерастворимым в воде, например, органической жирной кислотой. Молекулы ПАВ адсорбируются на гидрофильной поверхности и образуют адсорбционный слой, в котором полярные группы молекул обращены к полярной поверхности, а неполярные углеводородные радикалы – в неполярный воздух. Если на такую поверхность нанести каплю воды, то она не будет её смачивать. Этот процесс называется гидрофобизацией поверхности, а ПАВ – гидрофобизатором (см. рис. 6.4).

Рис.6.4. Гидрофобизация твердой поверхности

а – поверхность смачивается водой; б – поверхность не смачивается водой

6.6. Влияние ПАВ на когезию и адгезию

Поверхностно-активные вещества, адсорбируясь на поверхности раздела фаз, понижают межфазные поверхностные натяжения, и, следовательно, в соответствии с уравнениями (6.3) и (6.5) изменяют работу когезии и адгезии. Понижение поверхностного натяжения на границе « твердое – газ» приводит к уменьшению работы когезии, то есть снижает затраты энергии на дробление, измельчение, сверление твердых тел. Это явление получило название адсорбционное понижение прочности твердых тел или эффект Ребиндера.

Оно применяется при обработке металлов резанием, тонком измельчении твёрдых тел, бурении горных пород и т.д. При использовании в качестве промывочных жидкостей специально подобранных растворов ПАВ скорость проходки скважин повышается на 20 – 60% и более.

Влияние ПАВ на работу адгезии несколько сложнее, так как она связана с тремя межфазными натяжениями. Рассмотрим работу адгезии, совершаемую при отрыве капли нефти, расположенной под водой на гидрофобной поверхности твердого тела (см. рис. 6.5).


Рис. 6.5. Вытеснение нефти с поверхности горной породы

а) исходное состояние; твердая поверхность гидрофобная  90;

б) промежуточное состояние; гидрофилизация поверхности  90;

в) полный отрыв нефти от породы

Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности «нефть – вода», уменьшая поверхностное натяжение _нв. В результате уменьшается краевой угол . Кроме того, молекулы ПАВ могут адсорбироваться и на поверхности породы, что тоже способствует гидрофилизации поверхности породы.

При некоторой концентрации ПАВ нефть собирается в каплю (рис. 6.5 б), которую легко удалить с поверхности твердого тела даже незначительным механическим воздействием.

Самопроизвольный отрыв капли нефти от поверхности породы произойдет при условии, когда работа адгезии будет равна нулю или меньше нуля:

W_ад = _нв + _тв - _тн 0 (6.10)

или _тн  _нв + _тв (6.11)

Выражение (6.11) носит название: условие моющего действия.

Величина

 = _тн  (_нв + _тв) (6.12)

называется коэффициентом моющего действия. Если   0, то жидкость отмывает «масло» (нефть) с поверхности твердого тела (породы). Если   , то жидкость не отмывает «масло».

Из условия (6.11) следует, что при отмывании загрязнения основной функцией ПАВ является максимальное уменьшение _нв и _тв при минимальном изменении _тн. Это достигается с помощью ПАВ, хорошо адсорбирующихся, как на поверхности раздела «нефть – вода», так и на поверхности «твердое – вода». Кроме того, уменьшение _нв увеличивает диспергируемость водонефтяной смеси, так как уменьшает работу когезии образования эмульсии нефти в воде.

ПАВ, используемые в качестве моющих средств, называются детергентами. Типичные детергенты, используемые в быту: мыла, стиральные порошки, шампуни. Как правило, хорошие детергенты – это анионактивные ПАВ, у которых в углеводородной цепи (R) содержится 10 – 18 атомов углерода, а полярная часть молекулы представлена остатком карбоновых кислот (мыла R-COONa) или сульфогруппой, например, алкилсульфаты (R-O-SO₃Na) и алкилсульфонаты (R-SO₃Na). К ним относятся стиральные порошки. Хорошими детергентами являются неионогенные поверхностно-активные вещества типа R-C₆Н₄O(CH₂CH₂О)_mН – моноалкилфениловые эфиры полиэтиленгликоля (m до100).

Следует заметить, что по правилу уравнивания полярностей молекулы ПАВ адсорбируются на гидрофильной поверхности полярными группами к твердому телу и неполярными углеводородными радикалами в моющий раствор. Казалось бы, в этом случае должна происходить гидрофобизация поверхности, понижающая эффект моющего действия. Однако этого не происходит, так как в достаточно концентрированных растворах после первого адсорбционного слоя образуется второй слой, молекулы ПАВ которого ориентируются полярной группой в раствор. Таким образом, гидрофильность поверхности сохраняется.
6.7. Практическое значение поверхностных явлений

Нефтеносные коллекторы сложены осадочными породами, содержащими поры, каналы, трещины и каверны. Поэтому они имеют весьма большую удельную поверхность, которая может доходить до величины, имеющей порядок 10⁵ м² / м³. Вся эта поверхность твердой породы контактирует с нефтью, водой и газом. Поэтому на многие процессы, происходящие в пластах, большое влияние оказывают поверхностные явления. Понимание этих явлений необходимо для управления процессами вытеснения нефти из пласта, обработки призабойных зон скважин, промысловой подготовки нефти и т.д.

Понимание поверхностных явлений на границе раздела «нефть – вода» необходимо также для устранения причин образования стойких водонефтяных эмульсий и способов их разрушения в процессе подготовки нефти к переработке.

Смачивание имеет большое значение для успешного проведения ряда важнейших технологических процессов. Например, в процессах флотации – методе обогащения полезных ископаемых, в текстильной технологии (крашение, отбеливание, пропитка и т. д.).

Смачивание металлов и неметаллических тел соответствующими жидкостями облегчает их механическую обработку (резание, сверление, шлифовку, полировку).