Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Эта величина может быть как положительной, так и отрицательной; при вэ > О, когда периметр смачивания стремится дополнительно стянуть каплю, краевой угол О должен увеличиваться с уменьшением радиуса периметра смачивания гь а при ж < 0 он должен уменьшаться. Знак и величина линейного натяжения вэ определяются особенностями взаимодействия контактирующих фаз вблизи периметра смачивания.
В зависимости от значений равновесного краевого угла различают следующие случаи: 1) краевой угол острый: 0 < 90', т. е. соз О > 0— смачивание поверхности жидкостью; 2) краевой угол тупой: О > 90', т. е. соз О < 0 — несмачивание поверхности; 3) равновесный краевой угол не устанавливается, и капля растекается в тонкую пленку — растекание. При растекании и хорошем смачивании за счет действия поверхностных сил могут возникать равновесные или метастабильные смачивающие пленки, изученные в исследованиях Б.В. Дерягина и Н.В.
Чураева (см, подробнее ЧП.2). В соответствии с уравнением Юнга (1.16) смачиванию отвечает условие о„> о,®, несмачиванию — о,„< о .„, а растеканию — условие и„> о + о; . Величина Ив = п,т — а — о представляет собой изменение энергии системы, когда единица поверхности твердого тела покрывается плоским слоем жидкости; ее можно рассматривать как удельную работу растекании или как движущую силу процесса растекания, т. е..силу, приложенную перпендикулярно к единице длины периметра смачивания вдоль поверхности твердого тела. Сопоставляя уравнение Юнга с определением работы адгезии И; (1.11), имеем И", -и сов О = о Это выражение позволяет экспериментально определить работу адгезии И; на границе твердой и жидкой фаз.
Заменяя поверхностное натяжение жидкости на работу когезии И'„= 2о, уравнение Юнга можно представить в виде 45 Это позволяет выразить термодинамические условия смачивания через соотношения работ когезии и адгезии. 1 Несмачиванию отвечает условие И; < — И'„, смачиванию— 1 -И«< И'»< И'„, растеканиюжидкостипотвердомутелу И; > И'„. Ра- 2 бота растекания может быть определена как разность работ адгезии и когезии: Ир = Иа Ик.
Так как в вакууме все конденсированные фазы притягиваются друг к другу, работа адгезии — величина принципиально положительная (И; > О) и, следовательно, сов 6 > — 1, т. е. угол всегда меньше 180'. Как правило, краевой угол в системе жидкость — твердое тело — газ не превышает 150'. В соответствии с выражением (1.17) хорошее смачивание и растекание возможны при большой работе адгезии (когда молекулярная природа жидкости и твердого тела близки) или при низкой работе когезии (когда поверхностное натяжение жидкости мало).
Соответственно углеводороды и другие органические жидкости с малым поверхностным натяжением хорошо смачивают практически любые твердые тела. Наоборот, жидкие металлы (с малой химической активностью), имеюцзше высокие значения поверхностного натяжения (порядка 10 — 10 мДж/м ), хорошо смачивают только неокисленные 2 поверхности твердых металлов.
Активные металлы — «раскислители» (например, титан, марганец, цирконий) — способны смачивать и некоторые оксиды. Вода — жидкость со сравнительно высокой работой когезии в силу полярности ее молекул ( И"„и 145 мДж/м ) — хорошо смачивает г оксиды и растекается на некоторых силикатах, но не смачивает парафин и фторорганические полимеры. Работа адгезии отражает степень взаимного насыщения поверхностных сил жидкости и твердого тела при их соприкосновении; симбатная с ней величина сов 6 также отражает степень родственности, или, как часто говорят, «фильности», поверхности твердого тела по отношению к жидкости (лиофильности). Так, полярные поверхности, хорошо смачиваемые водой, являются гидрофильными, тогда как поверхности твердых углеводородов (парафин, полиэтилен) и особенно фторорганических полимеров, не смачиваемые водой, гидрофобны.
Так как значение 6 определяется не только работой адгезии 46 жидкости, но и работой когезии, то сопоставление краевых углов, образуемых раз- е4- 2 личными жидкостями на поверхности твердого тела, не позволяет непосредст- отж, атж, т' венно сравнивать работы алгезии, т.е. сте- Рис. $-18.
Равновесие сил по- пень родственности жидкости ктвердому верхнсстного натяжения при тЕЛу. Тах, ПОВЕРХНОСТИ ПОЛЯРНЫХ тЕЛ ХО- наеиратеяьнои сиаяивании рошо смачиваются не только водой, но и углеводородами. Более показательным в этом смысле является сравнение краевых углов при избирательном смачивании, т. е. при установлении равновесия между поверхностью раздела двух несмешивающихся жидкостей, например воды (ж1) и углеводорода (жз) (рис. 1-18), и твердой поверхностью. При этом краевой угол принято отсчитывать в сторону более полярной жидкости (имеющей большее поверхностное натяжение), в данном случае — воды: (1.18) сс -о созО= о Если каждая из жидкостей порознь смачивает данную твердую поверхность, то при их одновременном контакте с твердой поверхностью между ними происходит конкуренция.
В результате устанавливается краевой угол, отвечающий лучшему смачиванию той жидкостью, родственность которой с этой твердой поверхностью больше. Если вода лучше, чем углеводород, избирательно смачивает поверхность, т. е. О < 90', то поверхность называют гидрофильной (олеофобной); если поверхность лучше смачивается неполярным углеводородом, т. е. О > 90', то такую поверхность твердого тела называют гидрофобной (олеофильной). При избирательном смачивании, в отличие от смачивания на воздухе, угол О может принимать любые значения от 0 до 180'. При О = 0 более полярная жидкость растекается по поверхности твердого тела, оттесняя менее полярную; при О = 180', наоборот, неполярная жидкая фаза полностью оттесняет от твердой поверхности полярную жидкость. К веществам с гидрофильной поверхностью относят кварц, стекло, оксиды и гидроксиды металлов, окисленные минералы и т.
д. Примерами объектов с гидрофобной поверхностью являются твердые углеводороды и их фторированные производные, листья растений, хитиновый покров насекомых, кожа животных. Среди характерных явлений в дисперсных системах, связанных с избирательным смачиванием, можно назвать просачивание эмуль- 47 сий через пористые фильтры. Если крупнопористый фильтр избирательно смачивается каплями дисперсной фазы эмульсии, то эти капли могут прилипать к поверхности материала фильтра и задерживаться. Это иногда используют для освобождения нефти от эмульгированной в ней воды (см.
гл. ЧП1.3): нефть фильтруют через крупно- пористый гидрофильный фильтр. Тонкопористый фильтр, избирательно смачиваемый дисперсионной средой, также способен задерживать капли эмульсии, размер которых много больше диаметра пор. При этом капли не могут пройти через такой фильтр, так как для этого требуется их сильная деформация, приводящая к возникновению высокого капиллярного давления. Фильтрация через тонкопористый гидрофобный фильтр позволяет очистить от воды бензин. Важной количественной характеристикой энергетики смачивания, особенно для тонкопористых тел и порошков, а вместе с тем и характера твердой поверхности (ее гидрофильности и гидрофобности, олеофильности и олеофобности) служит удельная лгенлота смачиеания — количество энергии, выделяемое при смачивании единицы массы твердого тела.
Эта величина равна разности полных поверхностных энергий границ раздела фаз твердое тело — газ и твердое тело — жидкость. По Ребиндеру, отношение теплот смачивания твердых поверхностей водой (Н,) и углеводородом (Н„) служит характеристикой гидрофильности поверхности: для гидрофильных поверхностей (3 = Н,/Н„> 1, для гидрофобных — )3 < 1.
Так, например, для активированного угля (3 = 0,4 (гидрофобная поверхность), для кварца )3 = 2 (гидрофильная), для крахмала )3 = 20 (сильно гидрофильная). При этом в обоих случаях при контакте с водой и углеводородом тепловой эффект смачивания может быть отнесен к единице массы порошка (адсорбента), и, таким образом, отпадает необходимость измерять поверхность исследуемого порошка. Возврыцаясь вновь к анализу влияния природы жидкости на смачивание, рассмотрим более подробно случай, когда взаимодействие на границе твердое тело— жидкость, характеризуемое работой адгезии Ив связано только с проявлением дисперсионных сил.
Такая ситуация имеет место при смачивании низкоэнергетических поверхностей — твердых парафинов, полиэтилена и т. и. Можно предположить (гл. 1.3), что поверхностное натяжение неполярного твердого тела обусловлено в основном его дисперсионной составляющей, т. е. а"„= 0 и а = а„. Тогда, согласно выражению (1.14), для межфазного натяжения на границе твердое тело — жидкость можно записать; а =(~/а —,/а~ ) + о" Отсюда видно, что, поскольку дисперсионные составляющие поверхностного натяжения полярных и неполярных фаз отличаются не очень сильно (см.
гл. 1Д), поверхностное натяжение на границе не полярно го твердого тела с полярной 48 жидкостью определяется в основном недисперсионной составляющей поверхностного натяжения а" . Подставляя зто выражение в уравнение Юнга (1.16), получаем ча а (1.19) сгж 0 = — 1 ч- 2 ч а Исследования смачивания органическими жидкостями поверхностей полимеров с низкой поверхностной энергией (тефлон, полиэтилен), а тюоке пшрофобизированных металлов и стекол (см. гл. 1П. 2) показали, что для жидкостей одного гомологического ряда зависимость соз 0(п '") линейна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
