Лекция 2. Поверхностное натяжение и внутримолекулярное взаимодействие внутри фаз обусловливаютпроцессы смачивания

1.Смачивание

2.Растекание

3.Когезия

4.Адгезия.

Поверхностное натяжение и внутримолекулярное взаимодействие внутри фаз обусловливают процессы смачивания, растекания, когезии и адгезии.

Начальной стадией взаимодействия жидкостей с твердыми телами является процесс смачивания. По числу фаз, участвующих в процессе, различают два типа смачивания:

а) иммерсионное смачивание, имеющее место при полном погружении твердого тела в жидкость, в таком случае в смачивании участвуют две фазы: жидкость и твердое тело;

б) контактное смачивание, оно протекает с участием трех фаз: твердой, жидкой и газообразной – например, капля жидкости на твердой поверхности.

Количественной мерой процесса смачивания является угол, образованный каплей с твердой поверхностью. Этот угол называют краевым углом смачивания и обозначают q. Значение q может меняться от 0 до 180 ⁰. Величину угла смачивания отсчитывают между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения всех твердой, жидкой и газообразной фаз. Измерение угла проводят со стороны жидкости:

Угол смачивания, который устанавливается при равновесии

(жидкость-твердое тело –газ) зависит только от поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

Если рассматривать поверхностное натяжение как силу, действующую тангенциально к поверхности раздела фаз, то связь между поверхностным натяжением и углом смачивания можно выразить уравнением, предложенным

Где

Чем меньше угол смачивания, тем лучше смачивается поверхность. Если q - острый, т. е. cos q - > 0 - поверхность хорошо смачивается, если угол q - тупой, т.е сos q < 0, то поверхность смачивается плохо, угол 180⁰ – cos = -1, полное несмачивание.

Для примера: кварц-вода - угол 0⁰ (полное смачивание), графит –вода – 55⁰, сера-вода –78⁰, тальк-вода 69⁰, но фторопласт-вода – 108⁰, парафин-вода –106⁰.

Лучше смачивает жидкость, которая по полярности близка к материалу поверхности.

Твердые поверхности, избирательно смачивающиеся водой, называются гидрофильными. У них краевой угол смачивания < 90 ⁰.

Те поверхности, у которых краевой угол смачивания > 90⁰, называют гидрофобными или олеофильными.

С термодинамической точки зрения смачивание твердой поверхности жидкостью приводит к образованию новой фазовой границы – твердое тело- жидкость вместо исходной - твердое тело-воздух и сопровождается уменьшением поверхностной энергии Гиббса. Поверхностное натяжение на границе твердое тело-воздух всегда больше, чем на границе твердое тело-жидкость, поэтому при смачивании всегда выделяется теплота.

Из уравнения Юнга видно, что процессом смачивания можно управлять, изменяя поверхностные натяжения в системе. Наиболее эффективным методом является введение ПАВ в жидкую фазу или обработка твердой поверхности растворами ПАВ. Таким путем можно не только менять величину смачивания, но и произвести его инверсию, т.е. качественно изменить характер смачивания.

Механизм инверсии смачивания связан с ориентацией молекул ПАВ на поверхностном слое.

Если твердая поверхность первоначально гидрофильна, то адсорбированные на ней молекулы ПАВ взаимодействуют своими полярными группами с поверхностью, а неполярными цепями обращаются наружу, вследствие чего твердая поверхность становится гидрофобной.

Например, при погружении стеклянной пластинки в раствор стеариновой кислоты в октане или бензоле на поверхности пластинки образуется монослой стеариновой кислоты.

Если же твердая поверхность первоначально гидрофобна, то ориентация молекул ПАВ своими углеводородными цепями к ее поверхности делает материал гидрофильным.

Инверсия смачивания имеет практическое применение, например, для предотвращения отсыревания гигроскопичных порошков. Если к порошку добавить ПАВ, то слой дифильных молекул, ориентированных наружу углеводородными цепями, создаст на частицах порошка защитную пленку, ослабляющую взаимодействие частиц порошка с водяными парами.

Так, защищая удобрения от слеживаемости, к ним добавляют калиевые соли нафтеновых кислот, создающих на поверхности удобрений гидрофобную пленку.

Моющее действие ПАВ связано с улучшением смачивания загрязненных поверхностей и тканей за счет понижения поверхностного натяжения при помощи ПАВ.

На явлении избирательного смачивания основано явления флотации – метод обогащения различных руд. Если частицы не смачиваются жидкостью, силы флотации выталкивают их вверх, в противном случае частицы смачиваясь, проникают вглубь раствора. Явление флотации стало известно с 80-х годов прошлого века, когда случайно было обнаружено, что медная руда накапливается на поверхности породы, если на них имеется масляная пленка, а частицы пустой породы опускаются на дно. Поэтому при обогащении руды ее смешивают с флотореагентом, предварительно размалывая ее до 10 ^–5 –10^-4 м. Образуется суспензия (пульпа), в которой пузырьки воздуха окружены масляной пленкой, и сними на поверхность всплывают частички меди. Флотореагенты, придающие частицам гидрофобность, называются коллекторами (собирателями). К ним относится например, сосновое масло и все ПАВ, которые взаимодействуя своей полярной группой с металлом, обращаются неполярной частью в воду и тем самым создают гидрофобную пленку за счет углеводородных радикалов R.

Вместо того, чтобы добавлять к воде масло, можно создать на поверхности воды пену, энергично пропуская воздух через воду. Тогда гидрофобные частицы руды будут прилипать к пузырькам воздуха и удаляться вместе с пеной в отстойник. (Пенная флотация).

2.Растекание

При нанесении на поверхность воды капли нерастворимой в ней жидкости в одних случаях происходит растекание капли, в других – оно отсутствует. Явление растекания обусловливается поверхностным натяжением на трех поверхностях раздела: воздух-вода s_вг, вода-капля s_вм, капля-воздух s_мг.

В системе самопроизвольно будет идти тот процесс, который приведет к минимуму энергии Гиббса. Если

s_вг< s_вм+s_мг,

то растекания капли не произойдет и капля примет на поверхности воды округлую форму.

Обратная картина наблюдается при соотношении

s_вг> s_вм+s_мг,

Для уменьшения избытка поверхностной энергии должен идти процесс сокращения поверхности раздела воздух-вода и увеличения поверхностей раздела капля-воздух и вода-капля. Тогда капля расткается и принимает форму линзы. Мерой растекания служит коэффициент растекания, который равен разности:

f = s_вг – (s_вм+s_мг, )

где f – изменение энергии Гиббса, приходящееся на единицу площади в процессе растекания:

f = DG /DS,

где DS – площадь, по которой происходит растекание.

Условие растекания можно представиить так: при f > 0 DG< 0, - происходит растекание

при f < 0 DG> 0 - растекание отсутствует.