Коллоидная химия: смачивание. смачивание. Тема Смачивание
 Скачать 160.8 Kb.
|
Тема 3. СмачиваниеЗадачи:
В гетерогенных системах различают
Когезия определяет существование веществ в конденсированном состоянии и обусловлена межмолекулярными и межатомными взаимодействиями различной природы.
Адгезия (прилипание) - взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсированных фаз разной природы. Смачивание - поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другими жидкими телами при наличии одновременного контакта с воздухом. Явления смачивания близки к адсорбционным, так как и те и другие определяются интенсивностью взаимодействия между молекулами различных веществ. СМАЧИВАНИЕ Пример: капля жидкости, нанесенная на поверхность твердого тела (существует явление смачивания одной жидкости другой). При этом могут наблюдаться два крайних случая: 1 случай. Капля жидкости самопроизвольно растекается на поверхности, пока не покроет всю поверхность или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Это полное смачивание. Пример: капля воды на обезжиренном стекле. 2 случай. Капля жидкости на твердой поверхности самопроизвольно принимает почти сферическую форму. Твердая поверхность не смачивается жидкостью, наблюдается полное несмачивание. Пример: капля ртути на неметаллической поверхности. Существуют различные промежуточные случаи, когда поверхность частично смачивается жидкостью. Мера смачивания - краевой угол Ө, или угол смачивания. Краевой угол (Ө) - угол, который образует капля с поверхностью твердого тела со стороны жидкости. Это угол между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения фаз (угол всегда измеряют со стороны жидкости). Рис. 1. Различные случаи неполного смачивания. На рис. 1 показаны капли, образующие с поверхностью краевые углы Ө < 90°, Ө = 90°, Ө > 90°. Если вода на твердой поверхности образует Ө < 90°, поверхность - гидрофильная, Ө > 90°, поверхность - гидрофобная. Значения краевого угла, образуемого водой на поверхности различных твердых тел в атмосфере воздуха: кварц - 0°; малахит - 17°; графит - 55-60°; тальк - 69°; сера - 78°; парафин - 106°; фторопласт - 108°. Чем больше краевой угол, тем в меньшей степени жидкость смачивает поверхность твердого тела. Степень смачивания, значит, и краевой угол зависят от соотношения величин поверхностного натяжения на границах: воздух-твердое тело Өтв.г, жидкость-твердое тело Өтв.ж и воздух-жидкость Өж.г. Обозначим поверхности натяжения на границах раздела фаз: σ1,3 - твердое тело-жидкость; σ2,3 - твердое тело-газ; σ1,2 - жидкость-газ. Силы σ1,2 и σ1,3 стремятся уменьшить размеры капли и придать ей форму шара. σ2,3 - наоборот, стремятся растянуть каплю, за счет взаимодействия с ней. Рис. 2. К выводу уравнения для краевого угла (уравнение Юнга). При образовании равновесного краевого угла (капля приняла форму) все силы должны уравновешивать друг друга. При этом силы σ1,3 и σ2,3 действуют в плоскости поверхности твердого тела, а вместо силы σ1,2 нужно взять ее проекцию на плоскость, т.к. точка приложения сил может только передвигаться на поверхности и не может от нее оторваться. Проекция - σ1,2 ·cosӨ (1) (2) Это II закон Лапласа или уравнение Юнга. а) σ2,3 > σ1,3 , cosӨ > 0, ∟Ө < 90° - смачивание, поверхность - гидрофильная (олеофобная); б) σ2,3 < σ1,3 , cosӨ < 0, ∟Ө > 90° - несмачивание, поверхность - гидрофобная (олеофильная). Избирательное смачивание В системе из 2-х жидкостей и твердого тела его поверхность будет смачивать та жидкость, полярность которой ближе к полярности твердого тела, или у которой разность полярностей меньше. Пример: Смачивающая способность лучше у той жидкости, у которой σ меньше.
Теплота смачивания Теплота смачивания - теплота, выделяющаяся при взаимодействии жидкости с поверхностью другой жидкости или твердого тела. Дифференциальная и интегральная теплоты смачивания зависят от количества жидкости, смачивающей поверхность того или иного тела. Поле поверхностных сил проникает внутрь смачивающей жидкости на определенную глубину, равную толщине поверхностного слоя в фазе этой жидкости. Потенциал поля снижается от максимального значения на границе раздела фаз до нуля на границе поверхностного слоя внутри смачивающей жидкости. -ΔQ = H = H2 - H1 , (3) где H2 - после смачивания; H1 - до смачивания. Дифференциальная теплота смачивания λd. λd - теплота, выделившаяся при добавлении бесконечно малого количества жидкости на поверхность при данном заполнении х (при данном количестве смачивающей жидкости, нанесенной на единицу поверхности) и рассчитанную на единицу количества (на 1 моль) жидкости. λd характеризует поле поверхностных сил в данной точке или в данном сечении, находящихся на определенном расстоянии от границы раздела фаз. Она снижается по мере удаления от смачиваемой поверхности, т.е. от источника поверхностных сил. При нанесении жидкости на поверхность в малых количествах добавление каждой последующей порции сопровождается выделением все меньшего количества теплоты. Максимальное значение λd соответствует границе раздела фаз, т.е. значению, получаемому при экстраполяции к нулевому количеству нанесенной жидкости. Минимальное значение (0) соответствует моменту полной компенсации поверхностной энергии энергией взаимодействия жидкости с поверхностью. Интегральная теплота смачивания λi . λi - теплота, выделяющаяся при нанесении какого-то количества жидкости х на единицу площади поверхности. Чем большее количество жидкости взаимодействует с поверхностью, тем больше λi. Интегральная теплота смачивания связана с дифференциальной соотношением: Интегральную теплоту смачивания при нанесении жидкости, взятой с избытком, который уже не взаимодействует с поверхностью, называют полной или просто теплотой смачивания. Для ее определения интеграл берется от нуля до бесконечности. Рис. 3. Зависимость интегральной λi и дифференциальной λd теплот смачивания от количества нанесенной жидкости. Чем больше смачивающей жидкости, тем меньше λd и больше λi . В пределе, когда избыточное количество жидкости уже не взаимодействует с поверхностью, λd = 0, а λi = полной теплоте смачивания (ΔQ). При малых количествах жидкости, пока вся эквипотенциальная поверхность не покрыта монослоем, λd = const. При смачивании реальных твердых тел, поверхность которых не является эквипотенциальной, λd снижается с самых первых порций жидкости, так как в первую очередь с жидкостью взаимодействуют наиболее активные участки поверхности. Интегральная теплота смачивания измеряется количеством энергии (работы), отнесенной к единице поверхности: λi = Дж/м2. Дифференциальная теплота измеряется соответственно (как производная по количеству вещества на единицу поверхности): λd = Дж/моль. Если процесс смачивания идет из паровой фазы (смачивание предшествует конденсации пара), то Qi = λконд + L, (4) где Qi - суммарный тепловой эффект; λконд - теплота конденсации пара; L - теплота смачивания уже конденсированного пара (чистая теплота адсорбции). Работа когезии и работа адгезии. Работа когезии - это работа разрыва между молекулами, находящимися в одной фазе, отнесенная к единице площади поверхности. Когезия (5) (6) 1 1 1 1 2 Адгезия Работа адгезии - это работа разрыва поверхности между разными фазами, отнесенная к единице площади (Дж/м2). Различают 2 случая: 1 3 1 3 2 1) Фазы 1 и 3 - жидкости (взаимно нерастворимые). Уравнение Дюпре: (7) Значения σ1,2 и σ2,3 легко определить экспериментально или по табличным данным. σ1,3 можно рассчитать по уравнению Антонова: (8) где и - поверхностное натяжение 2-х взаимно насыщенных жидкостей на границе с воздухом; - поверхностное натяжение на границе раздела фаз между 2-мя взаимно насыщенными жидкостями.
Уравнение Дюпре (7) для расчета работы адгезии на такой границе фаз трудно определить, т.к. трудно определить поверхностное натяжение твердого тела на границе с воздухом и жидкостью - σ2,3 и σ1,3 . Удобную для расчета этой величины форму дает соотношение, получаемое в результате сочетания уравнения Дюпре (7) с законом Юнга (2): (9) Из уравнения (9): чтобы уменьшить адгезию, нужно понизить поверхностное натяжение жидкости (ввести ПАВ, изменить температуру и т.д.) Практическое значение смачивания:
Процессы, в которых имеет большое значение адгезия:
Адгезия в значительной степени определяет качество материалов и изделий. |