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).
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.
.
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
-
Поверхностный натяжение адсорбция адгезия Поверхностное натяжение различных конденсированных тел на границе с газом непосредственно связано с межатомным...
-
Способность минералов закрепляться на поверхности раздела воздух - вода (или в общем случае газ - жидкость) зависит от степени полярности минеральной...
-
Специфические способы определения удельной свободной поверхностной энергии - Коллоидная химия
Поверхностная энергия , энергия, сосредоточенная на границе раздела фаз, избыточная по сравнению с энергией в объеме. При увеличении поверхности раздела...
-
ГИСТЕРЕЗИС СМАЧИВАНИЯ - Флотационный метод обогащения
Явление гистерезиса, затрудняющего достижение равновесного состояния, присуще многим физическим и физико-химическим процессам, в том числе процессу...
-
Чтобы возникла поверхность раздела фаз, нужна затрата энергии - Еа зародышеобразования. А когда новая фаза уже появилась, ее дальнейший рост идет...
-
Основной и определяющей стадией флотационного процесса является элементарный акт флотации, под которым подразумевают закрепление единичного зерна на...
-
Результаты исследований А. Н. Фрумкина и Б. В. Дерягина показали, что характер изменения удельной поверхностной энергии е прослоя воды, находящегося...
-
Адсорбенты Применяемые адсорбенты характеризуются адсорбционной активностью, истинной и насыпной плотностью, удельной поверхностью общим объемом пор и их...
-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ - Флотационный метод обогащения
В области теории флотации наблюдается стремление перейти от качественных преставлений к количественным закономерностям. Необходимость эта обусловлена...
-
Анализаторы жидкости, Область применения - Анализаторы газов и жидкостей
Многопараметровый анализатор жидкости предназначен для автоматического непрерывного потенциометрического, амперометрического и кондуктометрического...
-
Актуальність теми . Моношари ПАР на поверхні розділу фаз широко використовують в якості модельних систем при вивченні процесів в клітинних мембранах,...
-
Построение корреляционных моделей исследуемых явлений
Построение корреляционных моделей исследуемых явлений Цель работы: На основе данных статистических наблюдений вывести корреляционные зависимости в виде...
-
Двумерная математическая модель жидкости водоема с учетом наличия на поверхности ледяной пластины
Введение В данной работе рассматривается численная модель движения в двумерных (в вертикальной плоскости) водоемах. Математическая модель основана на...
-
Общие сведения Гетерогенные реакции еще труднее для изучения, чем гомогенные, и в обычных учебниках общей химии им уделяется мало внимания, хотя они...
-
Поляриметр. Удельное вращение - Оптические изомеры и их влияние на организм человека
Различить оптические изомеры можно с помощью поляриметра - прибора, измеряющего угол поворота плоскости поляризации. Величину оптической активности...
-
Следует отметить, что не существует особых сил, вызывающих адсорбцию. Адсорбция молекул на поверхности твердого тела происходит за счет сил притяжения со...
-
Преломление - Физика солнечного света. Почему небо голубое
В 1621 году Снеллиус сформулировал закон преломления, который гласит, что если угол между падающим лучом и нормалью поверхности проведенной к точке...
-
Методы неорганического синтеза - Синтез ацетата натрия ("Горячий лед")
НЕОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ, получение неорганических соединений. Как правило, состоит из нескольких последовательных или параллельных процессов -...
-
АЭРОЗОЛИ, ПЕНЫ И ПЕННЫЕ ПЛЕНКИ - Микрогетерогенные системы. Суспензии и пасты
Аэрозоли - микрогетерогенные системы, в которых частицы твердого вещества или капельки жидкости взвешены в газе или дисперсные системы с газовой...
-
Адсорбция Лэгмюра и Фрейндлиха
Адсорбция. Изотермы адсорбции Лэгмюра, Фрейндлиха. Уравнение БЭТ и его анализ Поверхностная энергия стремится самопроизвольно уменьшиться. Это выражается...
-
Вязкость металлов и сплавов - Структура и свойства металлических расплавов
Вязкость, или внутреннее трение, представляет собой внутреннее сопротивление, оказываемое взаимному перемещению смежных слоев жидкости, поэтому и...
-
Теория жидкого состояния расплавов - Структура и свойства металлических расплавов
В теории жидкого состояния, как и в теории твердого тела, под структурой понимают пространственное расположение атомов. Известно, что в кристалле имеется...
-
ВВЕДЕНИЕ - Флотационный метод обогащения
В связи с ухудшением качества руд и повышением трудности их обогащения, поиск более эффективных способов разделения минералов является насущной...
-
Приведенные затраты - Расчет электрической сети микрорайона в г. Иркутск
Выбор рационального варианта сети производится на основании технико-экономических расчетов и сопоставления конкурентоспособных вариантов по минимуму...
-
Диспергированием называют тонкое измельчение твердых мате-риалов или жидкостей и распределение их частиц в жидкой или газообразной среде, в результате...
-
Абсорбция -- поглощение веществ из газа (обычно из газовой смеси) или жидкости жидкостями или--реже--твердыми телами. Жидкость или твердое тело,...
-
Термодинамічний конформаціїний тіоспирт кластеризація 1. У дисертації показано, що запропонована раніше схема квантово-хімічного опису термодинамічних...
-
Для определения тесноты связи при числе показателей, большем двух используется коэффициент конкордации: , Где - количество факторов (показателей); -...
-
Важной задачей статистики является разработка методики статистической оценки социально-экономических явлений, которая осложняется тем, что многие...
-
Явления общественной жизни складываются под воздействием целого ряда факторов, то есть являются многофакторными. Между факторами существуют сложные...
-
Парная нелинейная регрессия - Статистическое изучение взаимосвязи социально-экономических явлений
Наиболее часто при описании взаимосвязи социально-экономических явлений, кроме линейной модели, используют следующие виды зависимостей: Гиперболическая ;...
-
Экономический корреляционный регрессионный Парная линейная регрессия Парная регрессия характеризует связь между двумя признаками: результативным и...
-
Методы анализа взаимосвязи - Статистическое изучение взаимосвязи социально-экономических явлений
Первым и обязательным этапом изучения взаимосвязи социально-экономических явлений является качественный анализ природы явления методами экономической...
-
Основные технические характеристики газоанализатора - Анализаторы газов и жидкостей
Характеристики Значения Примечание Диапазон измерения массовой концентрации меркаптанов (R-SH), мг/м3 0 - 80 Этилмеркаптан (C2H5SH) Диапазон показаний...
-
Рассмотрим простейший гальванический элемент Даниэля-Якоби, состоящий из двух полуэлементов - цинковой и медной пластин, помещенных в растворы сульфатов...
-
Схема реакции: Реактивы: Фенолфталеин - 3,18 г; дихлорангидрид изофталевой кислоты - 2,03 г (мольное соотношение 1:1); едкий натр - 0,8 г;...
-
Дихлорангидрид изофталевой кислоты Бесцветные кристаллы с резким запахом; Тпл. = 42-44°С; Ткип. = 119-121 °С при 6 мм рт. ст. Дихлорангидрид терефталевой...
-
Сeзонные явлeния Мнoгие экoномические врeменные pяды сoдержат периодические сезoнные кoлебания. Oт характера этиx кoлебаний иx часто дeлят на два класса:...
-
Задание 1 - Анализ отобранных проб жидкости и газа
По данным таблицы 1.3. рассчитать значения коэффициентов: А=С2/С4; i-C4/n-C4; В=(C1+ГУ)/ПУ; Z=А+В и спрогнозировать месторождение (залежь) какого типа...
-
Фаза эмульсии - Химия и физика молока
1). Состав и структура оболочки шариков жира. 2). Факторы устойчивости жировой эмульсии молока. Молоко представляет собой эмульсию жировых шариков в...
Адгезия, смачивание и растекание жидкостей - Поверхностные явления. Контакт трех фаз. Когезия, адгезия, смачивание, растекание