Главная » Все файлы » Просмотр файлов из архивов » PDF-файлы » Методические разработки к практикуму по коллоидной химии

Методические разработки к практикуму по коллоидной химии, страница 5

Описание файла

PDF-файл из архива "Методические разработки к практикуму по коллоидной химии", который расположен в категории "книги и методические указания". Всё это находится в предмете "коллоидная химия" из седьмого семестра, которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. .

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст 5 страницы из PDF

3.1).Краевой угол – это угол между поверхностью твердого тела и касательной кповерхности жидкость/газ с вершиной в точке контакта трех фаз. Краевой уголотсчитывается в сторону жидкости.Рис.3.1. Капля на твердой поверхности.Связь между равновесным краевым углом θ и удельными свободнымиповерхностными энергиями контактирующих фаз дает закон Юнга:cos θ =σТГ − σТЖ,σ ЖГ(3.1)где σТГ, σТЖ и σЖГ – удельные свободные поверхностные энергии на границахраздела твердое тело – газ, твердое тело – жидкость и жидкость – газ.Величина краевого угла θ определяется соотношением работ адгезии (WА= σТГ + σЖГ –σТЖ) и когезии (WK=2σЖГ).

Подстановка из уравнения Юнгаразности (σТГ – σТЖ) = σЖГcosθ в выражение для WA позволяет рассчитать работуадгезии жидкости к твердому телу по экспериментальным значениям σЖГ и θ:WA = σ ЖГ (1 + cos θ ) .(3.2)В свою очередь, подстановка выражений для работы адгезии и работыкогезии жидкости в уравнение Юнга дает:30cos θ =WA −WК2 .(3.3)WК2В зависимости от значений угла θ различают случаи несмачивания,ограниченного смачивания и растекания (полного смачивания), которымсоответствуют определенные соотношения между удельными величинамиповерхностных энергий, WA и WК.1). Несмачивание: краевой угол 180 >θ > 900 (cosθ < 0). Термодинамическоеусловие несмачивания - WA < WК/2.2).

Ограниченное смачивание: краевой угол 0 < θ < 900 (cosθ > 0).Термодинамическое условие смачивания: WК/2 < WA < WК.3). Полное смачивание (растекание): равновесный краевой угол неустанавливается, и капля растекается в тонкую пленку. Термодинамическоеусловие растекания: σТГ > σТЖ + σЖГ. В этом случае WA > WК.Управление смачиванием с помощью поверхностно-активныхвеществ.Адсорбция ПАВ на различных границах раздела фаз приводит кизменению величин межфазных энергий, входящих в уравнение Юнга (3.1.) и,соответственно, с помощью ПАВ можно регулировать условия смачивания ивеличины краевых углов.При смачивании гидрофобных поверхностей водными растворами ПАВпроисходитадсорбцияПАВнаграницахводныйраствор/воздухираствор/твердое тело; величины σЖГ и σТЖ снижаются.

В соответствии суравнением Юнга при этом увеличиваются значения cosθ (краевые углыуменьшаются). При снижении величин σТЖ до значений, меньших σТГ, cosθменяет знак, происходит инверсия смачивания: гидрофобные поверхностистановятся гидрофильными.Адсорбцию ПАВ на границе низкоэнергетическая твердая поверхность –водный раствор (ГТЖ) можно рассчитать на основании измерений краевыхуглов. При смачивании таких поверхностей растворами ПАВ адсорбция ПАВ31на границе твердое тело–газ (вне капли раствора) обычно равна нулю, т.е.

σТГ =const. Из уравнения Юнга следует, что σТЖ = σТГ – σЖГcosθ. Подставляявыражение для σТЖ в уравнение Гиббса для определения адсорбции, получаемΓТЖ = −с d σТЖс d (σЖГ cos θ).=RT dcRTdc(3.4)Для большинства ПАВ изотермы поверхностного натяжения σЖГ(с)известны; при необходимости их можно получить с помощью стандартныхметодов. Используя уравнение (3.4) можно рассчитать предельную адсорбциюи площадь, приходящуюся на молекулу в адсорбционном слое на твердойповерхности таким же образом, как и на границе раздела жидкость-газ (см.работу 2.2).Другойвозможностьюуправлениясмачиваниемявляетсяпредварительное модифицирование поверхностей с помощью ПАВ.ЕслиПАВизрастворахемосорбируетсянаполярнойтвердойповерхности, то после удаления растворителя, поверхность становитсягидрофобной.

Степень заполнения твердой поверхности модифицирующимслоем молекул ПАВ можно оценить, используя теорию Ребиндера – Касси –Бакстера. Пусть в простейшем случае поверхность состоит из участков двухтипов: Х – доля участков типа 1, (1–Х) – доля участков типа 2. Тогдаσ ТГ = Х Т1Г σ T1Г + (1 − Х )σ Т 2 Г и σ ТЖ = Х σ Т1 Ж + (1 − Х )σ Т 2 Ж . Подставляя эти выражения вуравнениеЮнга,получаемуравнениеРебиндера–Касси–Бакстерадлягетерогенной поверхности:cos θ = X cos θ1 + (1 − X ) cos θ2 ,(3.5)где углы θ1, θ2 и θ краевые углы на участках типа 1, 2 и на гетерогеннойповерхности в целом.Лабораторные работы к Главе 3.Работа 3.1. Влияние адсорбционных слоев ПАВ на смачивание водойалюминиевых пластин.Цель работы: изучение влияния адсорбционных слоев стеариновой кислоты насмачивание водой алюминиевых пластин методом измерения краевых углов.32Порядок выполнения работы:1. Алюминиевые пластинки тщательно обезжиривают с помощью ацетона икипятят в дистиллированной воде в течение 20 мин.

для гидроксилированияповерхности.2. Пластины выравнивают с помощью пресса между двумя листами калькии на каждую из пластинок помещают каплю воды (диаметр капли не долженпревышать 2–3 мм). Отбирают 6 пластин, на которых вода растекается.Пластины высушивают под лампой.3. В шести вымытых и высушенных бюксах готовят растворы стеариновойкислоты в гептане концентрацией 7.10–4; 3,5.10–5; 1,7.10 – 5; 9,0.10–6; 4,5·10–6 Мпоследовательным разбавлением гептаном исходного раствора 3,52.10–3 М(0,1%) (эту часть работы проводят под тягой).4.

Отобранные алюминиевые пластинки погружают в приготовленныерастворы стеариновой кислоты в гептане на 20 мин. Это время необходимо дляустановления равновесной адсорбции из растворов на твердой поверхности.5. Пинцетом вынимают пластинки из растворов и высушивают. Чтобывысушить пластинки и не повредить образовавшийся адсорбционный слой,необходимо положить их в наклонном положении на стеклянную палочку,поместив под них фильтровальную бумагу. Сушить пластинки следует подлампой в течение 20–30 мин.6. На высушенные пластинки наносят капли воды и измеряют значениякраевых углов смачивания одним из методов (по указанию преподавателя).Измерение краевых углов смачивания методом проецирования каплина экран.Описание прибора.

Краевые углы смачивания определяют методомпроецирования капли на экран. Прибор имеет следующее устройство (рис.3.2).Капля К, нанесенная на исследуемую поверхность П, освещается лампойC, расположенной в верхней части прибора, и проецируется объективом O наматовое стекло экрана Э. Лучи света проходят через тепловой фильтр Ф и33отражаются от зеркал З1, З2 и З3, помещенных в корпусе прибора. На планшетеэкрана укреплено приспособление для измерения краевых углов смачивания.Рис.3.2.Измерение краевых угловметодомпроецирования капли.Методика измерений. Выключателем, расположенным с левой стороныкорпуса прибора, включается лампа осветителя (лампу включать только навремя измерений). Перемещая винтами, металлический держатель и изменяяугол наклона, достигают сфокусированного изображения профиля держателя наэкране (матовом стекле).

Подготовленный образец кладут на держатель и спомощью установочных винтов находят такое положение пластинки, чтобы ееизображение на экране имело вид резко очерченной горизонтальной линии,расположенной приблизительно в середине экрана. Затем с помощью шприца сиглой осторожно наносят каплю жидкости на поверхность пластинки у ее края,обращенного к объективу О. Для хорошей воспроизводимости результатовнеобходимо наносить капли примерно одинаковых размеров диаметром неболее 2–3 мм.

Окончательно регулируют положение держателя для получениянаиболее резкого изображения контуров капли и пластинки. Затем с помощьюдвух маховиков перемещают угломер в такое положение, чтобы его центр(точка пересечения перпендикулярных линий) был совмещен с вершинойкраевого угла на изображении капли. Сначала горизонтальную линию угломера34устанавливают так, чтобы совместить ее с границей раздела капля–поверхностьпластинки. Затем угломер поворачивают в такое положение, чтобы егогоризонтальная линия стала касательной к изображению капли и проходилачерез точку раздела трех фаз. Разность отсчетов при первой и второй установкеугломера дает величину краевого угла. Эти отсчеты делают три раза ирассчитывают среднее значение краевого угла на одной стороне капли.Таким же образом определяется краевой угол с другой стороныизображения капли, и из двух значений, которые должны быть близкими, (θлев иθправ) рассчитывают среднее значение угла θср.

Отсчеты по шкале берут сточностью1o. После измерений во избежание перегрева необходимовыключить лампу осветителя.Измерение краевых углов смачивания при помощи горизонтальногомикроскопа.Описание установки. Краевые углы определяют с помощью микроскопа1, снабженного гониометрической насадкой 2 (рис. 3.3).Рис.3.3.Измерениекраевыхугловспомощьюгоризонтальногомикроскопа.Каплю жидкости с помощью шприца наносят на исследуемую подложку3, расположенную на подставке 4, находящейся в поле зрения микроскопа.Каплю освещают лампой 5. С помощью винтов 6, 7 и 8 добиваютсярасположения капли в фокусной плоскости микроскопа.

Гониометр содержитугловую шкалу, с помощью которой измеряют краевые углы.35Методика измерений. Исследуемый образец 3 помещают на держатель 4.Винтами 6 и 7 вводят изображение пластины в поле зрения микроскопа ифокусируют изображение с помощью винта 8. Поверхность пластины должнапредставлять собой четкую горизонтальную линию. Каплю исследуемойжидкости с помощью шприца помещают у края пластинки, обращенного кобъективу,идобиваютсячеткогоизображениякаплиприпомощиустановочных винтов 6, 7 и 8.

Краевой угол измеряют по угловой шкалеподведением точки пересечения двух взаимно перпендикулярных линий кточке трехфазного контакта жидкость/твердое тело/газ таким образом, чтобыодин из перпендикуляров совпадал с горизонтальной поверхностью образца (споверхностью жидкость – твердое тело). Затем угломер поворачивают так,чтобы горизонтальная линия стала касательной к поверхности жидкость/газ.Величина краевого угла смачивания θ – разность отсчета при первой и второйустановке угловой шкалы. Измерения проводят с обеих сторон капли (θлев иθправ) и берут среднее значение θср.Измерение краевых углов смачивания с помощью компьютерного анализавидеоизображения капли.Описаниеустановки.Установкапредставляетсобойгоризонтальныймикроскоп 1, оснащенный видеокамерой 2, соединенной с компьютером 3 (рис.3.4).Рис.3.4.

Измерение краевых углов с помощью компьютерного анализавидеоизображения капли.36Установка оборудована держателем 4, на который устанавливается исследуемаяпластина 5. Винт 6 позволяет добиться необходимой резкости изображения.Винтами 7 и 8 можно перемещать держатель с пластиной в вертикальном игоризонтальном направлениях. Программное обеспечение включает программузахвата видеоизображения iuVCR и программу измерения краевых угловPromer (программа разработана на кафедре коллоидной химии Химическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова).Методика измерений. Исследуемую пластину помещают на держатель 4.Включают компьютер, запускают программу iuVCR (ярлык на рабочем столе),нажимают кнопку Continue, затем клавишу Просмотр.

Свежие статьи
Популярно сейчас