Физико-химические основы смачивания

       Содержание: 

       1 Постановка задачи………………………………………………………...…….……3

       2 Теоретическая часть……………………………………………….…..…….…….…4

              2.1 Термодинамик смачивания…………....……………………………….……4

       2.2 Определение краевого угла……………………….…………………….…11

       2.3 Практическое значение смачивания …………………………………….15 

       3. экспериментальная часть………………………………………..…………………16

       3.1 постановка задачи эксперимента……………………………………….….…….16

       3.2 введение……………………………………………………………………………16

       3.3 Образцы и методика исследования……………………………………….17

       3.4 Результаты и их обсуждение ………………………….……………………19

       3.5 Расчет поверхностной энергии и её составляющих  ………………...24

  3.6 Выводы……………………………………………………………..26

3.7 Литература………………………………………………………….27 

6. Список  литературы……………………………………………………………29 

       1. Постановка задачи. 

       Целью этой работы является рассмотрение физико-химических основ смачивания.

         В данной работе я хочу рассмотреть:

       а. Влияние различных факторов на смачиваемость:

       -  загрязненность поверхности;

       -  шереховатость;

       - условия образования поверхности;

б.  экспериментальное исследование влияния относительной влажности окружающей среды на оценку величины краевого угла смачивания и поверхностной энергии образцов c различной гидрофильностью их поверхности. 
 

 

       2. Теоретическая часть.

2. 1ТЕРМОДИНАМИКА СМАЧИВАНИЯ

В зависимости  от числа фаз, участвующих в смачивании, различают два основных случая.

   1. Смачивание при полном погружении твердого тела в жидкость (иммерсионное смачивание), в котором участвуют только две фазы — жидкость и твердое тело. Иммерсионное смачивание реализуется обычно при смачивании порошков и мелких частиц.

   2. Контактное смачивание, в котором наряду с жидкостью с твердым телом контактирует третья фаза — газ или другая жидкость. Возможны также случаи, когда в смачивании участвуют четыре разных фазы — твердое тело, газ, две жидкости.

   Характер  смачивания определяется прежде всего  физико-химическими взаимодействиями на поверхности раздела фаз, которые  участвуют в смачивании. Интенсивность  этих взаимодействий при иммерсионном смачивании характеризуется теплотой смачивания. Контактное смачивание характеризуется  чаще всего величиной 
краевого угла —угла между поверхностями жидкости и твердого тела на границе с окружающей средой.

Пусть капля  жидкости помещена на идеально гладкую  однородную твердую поверхность, расположенную  горизонтально (рис 1.1,а). Из соображений  симметрии очевидно, что капля  примет форму тела вращения. Угол θ  между касательной А В к  поверхности жидкости и смоченной  поверхностью твердого тела называется краевым углом. Краевой угол всегда отсчитывается от касательной в  сторону жидкости. Вершина краевого угла А находится на линии смачивания—  линии, вдоль которой соприкасаются  все фазы, участвующие в смачивании (в данном примере — твердое 
тело, жидкость и газ). Если линия смачивания замкнута, она называется периметром смачивания (на рис. I. 1,а— это периметр основания капли). Аналогично определяется краевой угол и при другом взаимном расположении фаз, например при контакте пузырька газа, находящегося в жидкости, с твердой поверхностью (рис. 1.1,6). Таким образом, краевой угол —это угол наклона поверхности жидкости к смоченной части поверхности твердого тела.

Некоторые особенности в определении краевого угла возникают при контакте с  твердым телом двух жидкостей. Здесь  необходимо пояснять, в сторону какой  жидкости отсчитывается краевой  угол. Исключение представляет избирательное  смачивание—контакт с твердым телом  полярной и неполярной жидкостей (например, воды и бензола). При избирательном  смачивании краевой угол отсчитывают в сторону полярной жидкости.

Рис. 1.1. Краевой угол θ в системе твердое тело (т) — жидкость (ж) — газ (г): а —капля жидкости на твердой поверхность; б—пуэырек газа внутри жидкости.

При смачивании жидких поверхностей нужно учитывать  прогиб жидкости — подложки. Поэтому  при определении краевого угла проводят две касательные: АВ — к поверхности раздела капля — газ и АС —к поверхности раздела жидкостей (рис. 1.2).

Рнс. 1.2. Краевой угол θ при контакте двух несмешивающнхся жидкостей (ж1 и ж2) и газа (г). 

Необходимо  различать равновесные и неравновесные  краевые углы. Равновесный краевой  угол θ₀ зависит только от термодинамических свойств системы, а именно, от поверхностных натяжений на границах раздела фаз, участвующих в смачивании. Поэтому для каждой системы при данных внешних условиях равновесный краевой угол имеет одно определенное значение.

Краевые углы, которые измерены при отклонении системы от состояния термодинамического равновесия, называются неравновесными. Иногда неравновесные краевые углы называют контактными, а термин «краевой угол» используют только для характеристики равновесного состояния при смачивании.

Во время  контакта фаз, участвующих в смачивании, неравновесные краевые углы могут изменяться. Краевые углы, изменяющиеся в процессе растекания жидкости по поверхности твердого тела, называются динамическими (0_Д). Для динамических краевых углов характерно, что их изменение происходит при перемещении линии (периметра) смачивания.

Неравновесные краевые углы могут также изменяться при постоянной площади смачивания вследствие постепенного изменения свойств системы или объема капли за счет различных физико-химических процессов — испарения жидкости, взаимного растворения твердого тела и жидкости, адсорбции, химических реакций и т. д. В таких случаях изменение неравновесных краевых углов определяется уже не скоростью растекания жидкости, а одним из сопутствующих физико-химических процессов (например, испарением).

Неравновесные краевые углы, соответствующие постоянной смоченной площади, называются статическими краевыми углами (θ_Ст).

В зависимости  от значений равновесного краевого угла различают три основных случая.

Несмачивание (плохое смачивание) — краевой угол тупой: 180° > θ₀ > 90°. Пример: вода на парафине или тефлоне.

Смачивание (ограниченное смачивание)—краевой угол острый: 90° > θ₀ > 0°. Пример: вода на металле, покрытом окисной пленкой.

Полное смачивание. Равновесный краевой угол не устанавливается, капля растекается в тонкую пленку. Пример: ртуть на поверхности свинца, очищенной от окисной пленки.

Величина  равновесного краевого угла определяется соотношением сил притяжения жидкости к твердому телу (или к жидкой подложке) и сил взаимного притяжения между частицами (молекулами) самой жидкости. Эту зависимость можно продемонстрировать с помощью очень простых и наглядных опытов.

Рассмотрим  случай смачивания, например, контакт  воды с тщательно обезжиренным стеклом. Если стеклянную пластину погрузить в воду, а затем снова вытащить на воздух, на стекле остается тонкий слой воды. Это означает, что силы притяжения жидкости к твердому телу преобладают над взаимным притяжением молекул жидкости. Напротив, при отсутствии скачивания (например, при контакте ртути со стеклом) после аналогичного опыта на твердой поверхности не остается следов жидкости. Связь между молекулярным взаимодействием жидкости и твердого тела и характером смачивания выявляется особенно отчетливо при избирательном смачивании, когда с твердым телом одновременно контактируют две жидкости, различные по своей молекулярной природе (полярная и неполярная}. По характеру избирательного смачивания полярной жидкостью (водой) все твердые тела разделяют на три основные группы:

1) гидрофильные (или олеофобные) материалы, которые  лучше смачиваются водой: θ₀< 90° (кальцит, кварц, большинство силикатов и окисленных минералов, галогениды щелочных металлов);

2) гидрофобные  (олеофильные) материалы, которые  лучше смачиваются неполярной жидкостью (маслом): θ₀ > 90° (графит, уголь, сера);

3) абсолютно  гидрофобные тела, для которых  θ₀ > 90° не только при избирательном смачивании, но и в системе твердое тело — жидкость — газ (воздух). В эту группу входят парафин, тефлон, битумы.

Особый случай представляет безразличное смачивание (θ₀ =90°).

Смачивание  жидкостью твердого тела можно объяснить  как результат действия сил поверхностного натяжения. Рассмотрим пример неполного  смачивания, изображенный на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость  между краевым углом и поверхностными натяжениями σ_1,2, σ_2,3, σ_1,3:1 — жидкость: 2—воздух; 3— твердое тело.

Очевидно, периметр смачивания, или окружность, капли  является границей взаимодействия трех сред — жидкости 1, воздуха 2 и твердого тела 3. Эти среды имеют разграничивающие их поверхности: поверхность жидкость — воздух с поверхностным натяжением σ_1,2 поверхность воздух — твердое тело с поверхностным натяжением σ_2,3 и поверхность жидкость — твердое тело с поверхностным натяжением σ_1,3. Таким образом, на единице длины периметра смачивания действуют три силы σ_1,2, σ_2,3, σ_1,3, обозначенные на рисунке соответствующими векторами и направленные перпендикулярно к отдельным элементам окружности и касательно к соответствующей поверхности раздела. При образовании равновесного краевого угла θ все три силы должны уравновешивать друг друга. Силы σ_2,3 и σ_1,3  действуют в плоскости поверхности твердого тела. Сила же σ_1,2 направлена к поверхности под углом θ. Однако поскольку точка приложении трех сил может только передвигаться по поверхности, но не может от нее оторваться вместо . Силы σ_1,2 следует взять ее проекцию на плоскость, т. е. σ_1,2 cos θ. Тогда условие равновесия сил выразится уравнением Юнга:

        [1]

 Решив это уравнение относительно cos θ, получим:

[2]

________________

[1-2] Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. Изд. 2-е, перераб. доп. М., «Химия», 1975. Стр. 155

Помимо приведенного выше «силового» вывода, уравнение  Юнга можно вывести и из термодинамических  соображений. Приводим этот вывод по Адамсону. Представим себе, что жидкость продвинулась по поверхности на весьма малое расстояние и покрыла поверхность  твердого тела, равную Δs. Учитывая, что удельные межфазные энергии численно равны соответствующим значениям поверхностного натяжения, изменение свободной поверхностной энергии ΔF а этом случае будет равно: [3]

или [4]

При равновесии  [5]

Тогда        [6]

Откуда получаем: [7]

Величину  cos θ, характеризующую способность жидкости смачивать поверхность, принято называть смачиванием и обозначать через В. Очевидно, что при полном смачивании (θ = 0) В = +1, а гипотетическому случаю полного несмачивания (θ = 180°) отвечает В = —1. Поскольку жидкость тем лучше смачивает твердое тело, чем меньше взаимодействие между ее молекулами, неполярные жидкости с малым поверхностным натяжением обычно хорошо смачивают поверхность. Например, углеводороды с поверхностным натяжением порядка 20—30 эрг/см² практически смачивают все твердые тела; вода с поверхностным натяжением 72,75 эрг/см² (при 20°С) смачивает лишь некоторые тела, например стекло, кварц, неорганические соли; ртуть с поверхностным натяжением 475 эрг/см² смачивает только некоторые металлы.