Адгезия, смачивание и растекание жидкостей - Поверхностные явления. Контакт трех фаз. Когезия, адгезия, смачивание, растекание

Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсированными фазами.

Адгезия. Межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы, называют адгезией (прилипанием). Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности, обусловленное межмолекулярными силами.

Различают адгезию между ж - ж; ж - тв; тв - тв.

Смачивание и растекание предполагают наличие одной из фаз в жидком состоянии и обусловлены адгезией. Адгезия и смачивание сопровождают друг друга и характеризуют межфазное взаимодействие (склеивание материалов; нанесение ЛКМ и неорганических материалов; получение материалов на основе связующих и наполнителей: бетона, стеклопластика, резины; сварка и паяние металлов).

Адгезия - результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии (самопроизвольный процесс). Полная работа адгезии на всю площадь поверхности контакта тел S, равна и измеряется в Дж/м2:

WS = WA-S

Определим работу адгезии через поверхностное натяжение. Имеем систему из двух конденсированных фаз (2 - вода, 3 - масло), которые имеют поверхности на границе с воздухом 1, равные единице площади. Две жидкости взаимонерастворимы (рис. 7).

система из двух конденсированных фаз

Рис. 7. Система из двух конденсированных фаз: 2 - вода, 3 - масло, имеющих поверхности на границе с воздухом 1.

При совмещении этих поверхностей, т. е. при нанесении одного вещества на другое, происходит адгезия, возникает межфазное натяжение, равное у2,3. В результате первоначальная энергия Гиббса уменьшается на величину, равную работе адгезии, т. е. ДG + WA = 0 или WA = - ДG.

Для начального и конечного состояния cистемы: GНач = у2,1 + у3,1 и GКон = у2,3. Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии равно

ДG = GКон - GНач = у2,3.- у2,1 - у3,1.

WA = - ДG = у2,1 + у3,1 - у2,3 - уравнение Дюпре - закон сохранения энергии при адгезии.

Отсюда следует, чем больше работа адгезии, т. е. межфазное взаимодействие, тем меньше межфазное натяжение.

С учетом правила Антонова уравнение Дюпре принимает вид:

WА = у2,1 + у3,1 - (у2,1 - у3,1) = 2 у3,1 = WК(3),

Т. е. работа адгезии в этом случае равна работе когезии менее полярной жидкости. Образование новой поверхности энергетически более выгодно по менее полярной фазе, поскольку взаимодействия в ней слабее, чем в более полярной фазе и на межфазной поверхности.

Межфазное натяжение становится равным 0 (у2,3 = 0), когда исчезает межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз.

WA ? у2,1 + у3,1 - условие растворения.

и WК =2у = > , где WК2 и WК3 - работа когезии тел 2 и 3 соответственно.

Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть больше или равна среднего значения суммы их работ когезии.

Смачивание, краевой угол. Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, то жидкость будет растекаться по поверхности или смачивать ее. Растекание будет происходить до тех пор, пока жидкость не покроет всю поверхность твердого тела или пока слой жидкости не станет мономолекулярным, что называется полным смачиванием (например, нанесение капли на стекло).

Смачивание - это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым телом или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом.

Степень смачиваемости количественно характеризуется косинусом краевого угла - угол смачивания или краевой угол.

Краевой угол - угол между твердым телом и касательной к поверхности жидкости, отмеряемый со стороны твердого тела.

Полное несмачивание - краевой угол равен 1800 (и = 1800), такой случай практически не наблюдается, т. к. меджду жидкостью и твердым телом всегда действуют силы притяжения.

И < 90? и = 90? и > 90?

Рис. 8. Различные случаи неполного смачивания.

Между крайними случаями полного и неполного смачивания, в зависимости от соотношения сил между молекулами жидкости с твердым телом, наблюдается переходные случаи неполного смачивания, т. е. капля образует с поверхностью тела определенный равновесный угол смачивания (рис. 8). Смачивание - это результат сил поверхностного натяжения.

Таблица 4. Значение краевого угла, образуемого водой на поверхности

Поверхность

Кварц

Малахит

Графит

Тальк

Сера

Парафин

И

0?

17?

55-60?

69?

78?

106?

Рассмотрим пример неполного смачивания (рис. 9). При образовании краевого угла все три силы должны быть уравновешены друг другом:

- закон Юнга

- уравнение Дюпре-Юнга.

.

зависимость между краевым углом и поверхностным натяжением

Рис. 9. Зависимость между краевым углом и поверхностным натяжением.

Итак, можно определить три случая смачивания в зависимости от значения краевого угла:

А) несмачивание поверхности: краевой угол тупой => , работа адгезии меньше, чем поверхностное натяжение жидкости, ? . Если краевой угол тупой, то по отношению к данной жидкости поверхность смачивается плохо;

    Б) смачивание: => , , поверхность хорошо смачивается жидкостью. В) растекание: . Если и = 0, равновесный краевой угол не устанавливается, смачивание полное, капля полностью растекается по поверхности в тонкую пленку.

Различные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверхность. Лучше смачивает поверхность та жидкость, которая по полярности ближе к смачиваемому веществу: она сильнее с ним взаимодействует и имеет меньшее поверхностное натяжение, что следует из уравнения Юнга.

При нанесении на поверхность твердого тела двух жидкостей, нерастворимых друг в друге, между ними образуется краевой угол, который характеризует относительную способность этих жидкостей смачивать данное тело. О жидкости, лучше смачивающей поверхность говорят, что она обладает большим избирательным смачиванием по отношению к данной поверхности. Избирательное смачивание было подробно исследовано П. А. Ребиндером.

- критерий смачиваемости.

Рассмотрим явление избирательного смачивания на системе: полярная вода, неполярный углеводород и твердое тело.

    1. Если для воды и < 90?, в = cosи > 0, то поверхность избирательно смачивается водой, поверхность называют гидрофильной (олеофобная). этот случай наблюдается при условии, когда у2,3 > у1,3, или когда у2,3 - у1,3 > 0. Разность полярностей между водой и твердым телом меньше, чем между углеводородом и твердым веществом. К веществам с гидрофильной поверхностью относят все вещества с ярко выраженным межмолекулярным взаимодействием: кварц, стекло, сульфаты, силикаты, карбонаты, окиси и гидроокиси металлов, целлюлоза. 2. Если твердое тело лучше смачивается неполярным углеводородом, то для воды и > 90? и cosи < 0, то поверхность гидрофобная (олеофильная). этот случай наблюдается при условии, когда у2,3 < у1,3, или когда у2,3 - у1,3 < 0. это все углеводороды и органические соединения с большими углеводородными радикалами, сульфиды металлов. 3. если и = 90?, избирательное смачивание отсутствует.

Лучше смачивается та жидкость, которая имеет меньшее поверхностное натяжение или работу когезии. Органические жидкости характеризуются низким поверхностным натяжением, и поэтому смачивают большинство поверхностей различной природы.

Т. е. для увеличения смачивания, нужно увеличить работу адгезии WA или уменьшить работу когезии WК (поверхностное натяжение) жидкости, чего можно достичь, например, увеличением температуры или введением ПАВ.

Помимо краевого угла смачивания мерой гидрофильности является теплота смачивания. Т. к. смачивание и адгезия - самопроизвольные процессы, они идут с уменьшением энергии Гиббса (межфазное натяжение) и с уменьшением внутренней энергии поверхностного слоя.

Различают дифференциальную теплоту смачивания - рассчитывается на единицу количества жидкости, и интегральную теплоту смачивания - рассчитывается на единицу площади поверхности смачиваемого тела.

Согласно П. А. Ребиндеру гидрофильность поверхности следует характеризовать по отношению теплот ее смачивания водой и теплоты смачивания бензолом (). Если >1 - поверхность гидрофильная (для агара 35), если <1 - гидрофобная (для угля 0,34).

Для измерения краевого угла, образуемого жидкостью на твердом теле, на поверхность твердого тела наносят каплю жидкости и с помощью пучка света, направленного параллельно поверхности, проектируют боковое изображение капли на экран, очерчивают контур капли и по касательной определяют угол. Или используют прибор катетометр - прибор для измерения точного интервала между двумя точками на расстоянии. По основным размерам капли (высота, радиус, периметр контакта) рассчитывают краевой угол.

Растекание жидкости. Эффект Марангони

Рис. 10. Растекание жидкости: 0 - воздух; 1 - жидкость, которая растекается; 2 - жидкость, по которой растекается.

Растекание происходит в том случае, когда WA > WК, т. е. жидкость растекается, если ее межмолекулярные связи разрушаются в результате адгезии (рис. 10).

- коэффициент растекания по Гаркинсу.

Коэффициент растекания определяется как разница работ на границе двух насыщенных растворов.

Гаркинс и его сотрудники изучали термодинамику образования новой поверхности, возникающей при соприкосновении 2-х жидкостей.

Если f > 0 - жидкость растекается по поверхности, если прилипание между 2-мя жидкостями больше, чем сцепление растекающейся жидкости: WA > WК.

Если f < 0 - растекания нет.

Если жидкость а растекается по поверхности жидкости в, то не обязательно, что жидкость в будет растекаться в жидкости а.

С повышением температуры обычно увеличивается WA и уменьшается WК смачивающей жидкости, следовательно, жидкость растекается.

Эффект Марангони: растекается менее полярное по более полярному, т. е растекание жидкости с меньшим поверхностным натяжением на поверхности жидкости с большим поверхностным натяжением.

Под этим эффектом понимают движение (течение) в поверхностных слоях, вызываемое градиентом поверхностного натяжения. Обычно неоднородность по поверхностному натяжению обусловлена неодинаковостью состава и температуры в разных точках межфазной поверхности. Движение в поверхностных слоях происходит из области малых в область больших поверхностных натяжений вследствие самопроизвольного уменьшения энергии Гиббса поверхности.

Похожие статьи




Адгезия, смачивание и растекание жидкостей - Поверхностные явления. Контакт трех фаз. Когезия, адгезия, смачивание, растекание

Предыдущая | Следующая