Смачивание краевой угол смачивания уравнение юнга адгезия работа адгезии уравнение дюпре (6 видео)

Лекция №4

Содержание

План лекции:
МЕЖФАЗНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОНДЕНСИРОВАННЫМИ ФАЗАМИ
АДГЕЗИЯ
Cоотношение между Wa и s :
Механизм адгезии
СМАЧИВАНИЕ
РАСТЕКАНИЕ
СМАЧИВАНИЕ И АДГЕЗИЯ ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЖИДКОСТЯМИ
Убайдуллаев Абдулазиз Лаб-2 Т-34. Лабораторная работа 2 по курсу Коллоидная химия Исследование смачивания поверхности твердых тел и определение работы адгезии
🔍 Видео

План лекции:

Видео:Поверхностные явления: адгезия, смачивание, адсорбция | Коллоидная химияСкачать

МЕЖФАЗНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОНДЕНСИРОВАННЫМИ ФАЗАМИ

К межфазным взаимодействиям между конденсированными фазами относятся смачивание, растекание и адгезия.

Как правило, адгезия и смачивание сопровождают друг друга. Эти явления широко распространены в природе и в различных отраслях промышленности (нанесение лакокрасочных покрытий, получение материалов на основе связующих и наполнителей — бетон, резина и т. д.)

Видео:4.2. Межмолекулярные и межфазные взаимодействияСкачать

АДГЕЗИЯ

Адгезия — межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведёнными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы (прилипание). Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности, обусловленное межмолекулярными силами.

Адгезия между — ж/ж, ж/т, т/т.

Адгезия — результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии, поэтому это самопроизвольный процесс. Работа адгезии W_a, характеризующая прочность адгезионной связи, определяется работой обратного разрыва адгезионной связи, отнесённой к единице площади:

W _s = W_аS, где W_s — полная работа адгезии (4.1)

Cоотношение между W_a и s :

Предположим, что имеется контакт между 3 фазами — 1 — газ, 2 -жидкость, 3 — твердое тело, 2, 3 — конденсированные фазы. Введем следующие обозначения поверхностных натяжений:

s _2,3 — поверхностное натяжение на границе раздела двух конденсированных фаз

s _2,1 и s _3,1 — поверхностное натяжение на границе с воздухом

Уравнение Дюпре отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.

Уравнение 4.2 справедливо только для изобарно-изотермического процесса в отсутствии электрического и химического взаимодействия между контактирующими телами, его используют только для определения равновесной работы адгезии жидкости.

Равновесную работу адгезии можно сопоставить с равновесной работой когезии. Когезия — определяет связь между молекулами внутри тела и в пределах одной фазы, характеризует прочность конденсированных тел и их способность противодействовать внешнему усилию.

Механизм адгезии

Первая стадия — транспортная, перемещение адгезива (клеящего вещества) к поверхности субстрата (тело, на которое наносят адгезив) и их определенное ориентирование в межфазном слое.

Вторая стадия — взаимодействие адгезива и субстрата, обусловлено различными силами (от ван-дер-ваальсовых до химических).

Завершается процесс адгезии межмолекулярным взаимодействием контактирующих фаз, что соответствует минимальной поверхностной энергии. Различают несколько механизмов (и, соответственно, теорий) в зависимости от природы взаимодействующих тел и условий, при которых происходит адгезия.

1.Механическая адгезия — осуществляется путем затекания в поры и трещины поверхности твердого тела жидкого адгезива., который потом затвердевает, обеспечивая механическое зацепление.

2.Молекулярная (адсорбционная) адгезия — возникает под действием межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей.

3.Электрическая теория — связана с образованием ДЭС на границе раздела между адгезивом и субстратом.

4.Диффузионный механизм — предусматривает взаимное проникновение молекул и атомов в поверхностные слои взаимодействующих фаз.

Чаще всего механизм адгезии является смешанным.

Теоретическая оценка адгезии очень приближённа, т. е., механизм её недостаточно изучен.

Видео:Опыты по физике. Смачивание и краевые углыСкачать

СМАЧИВАНИЕ

Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твёрдым или другим жидким телом при наличии контакта трех несмачивающихся фаз, одна из которых воздух.

Степень смачивания количественно характеризуется косинусом краевого угла (угла смачивания) или просто краевым углом (углом смачивания).

Рис.4.2. К выводу уравнения для краевого угла (закон Юнга).

Рис.4.2. иллюстрирует состояние капли жидкости на поверхности твердого тела в условиях равновесия. Поверхностная энергия твердого тела, стремясь уменьшиться, вызывает растяжение капли по поверхности. Эта энергия равна поверхностному натяжению твердого тела на границе с воздухом s _3,1 .Межфазная энергия на границе твердого тела с жидкостью s _2,3 стремится сжать каплю. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направлено от границы между твердой, жидкой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно s _2,1 .Угол q — краевой угол или угол смачивания.

Чем меньше краевой угол , тем лучше смачивание поверхности.

Если cos( q )>0 , то поверхность хорошо смачиваемая, cos( q )

Если разность s _3,1 — s _2,3 в уравнении Дюпре заменить её выражением из закона Юнга, то

W_a/ s _2,1 = 1+ cos( q ) — уравнение Дюпре-Юнга (4.5)

4.3, 4.4, 4.5 — только для идеально гладких тел. На поверхности реальных тел есть поры, трещины, и т. д.

Рассмотрим кинетический катерезис, который замедляет достижение равновесной формы капли.

Рис.4.3.Статические углы натекания и оттекания.

Для реальных тел: равновесный угол смачивания равен полусумме предельных углов натекания и оттекания:

cos( q ) = (cos( q _нт ) + сos( q _от ))/2 (4.6)

Влияние шероховатости на кривой угол:

k = cos( q _ш )/cos( q ) , где к — коэфф. шероховатости

При повышении степени шероховатости смачиваемость улучшается.

Видео:Поверхностное натяжениеСкачать

РАСТЕКАНИЕ

Капля жидкости, нанесенная на поверхность, может оставаться на ее определенном участке, и система будет находится в равновесии в соответствии с законом Юнга, или же растекаться по поверхности. В обоих случаях система переходит в состояние с минимальной энергией Гиббса.

Из этого соотношения следует, что уменьшение межфазного натяжения s _2,3 (увеличение работы адгезии) и поверхностного натяжения жидкости s _2,1 , способствует растеканию жидкости.

Растекание происходит в том случае, если работа адгезии превышает работу когезии.

Способность жидкости растекаться зависит от когезии наносимых на поверхность жидкостей.

С повышением температуры увеличивается работа адгезии, поэтому нерастекающаяся жидкость с увеличением температуры может начать растекаться.

Видео:Галилео. Эксперимент. Поверхностное натяжениеСкачать

СМАЧИВАНИЕ И АДГЕЗИЯ ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЖИДКОСТЯМИ

Если жидкость или твердое тело имеет поверхность раздела фаз с другой жидкостью или твердым телом, то между ними проявляется в той или иной степени адгезия (прилипание). Адгезия жидкости к твердому телу сопровождается смачиванием его поверхности, т. е. адгезия и смачивание — это две стороны одного и того же явления. Адгезия обусловливает взаимодействие между твердым телом и контактирующей жидкостью, а смачивание — явление, которое имеет место в результате такого взаимодействия.

Количественно адгезия характеризуется работой адгезии W_a, которая равна работе обратимого изотермического отрыва жидкости от твердой поверхности единичной площади контакта (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема образования новой поверхности при отрыве столбика жидкости (фаза В) от твердой поверхности (фазы А) единичной площади

образуются поверхности «жидкость — газ» и «твердое тело — газ» и исчезает поверхность «твердое тело — жидкость»

При таком отрыве образуются новые поверхности раздела фаз «жидкость — газ» и «твердое тело — газ», а исчезает поверхность раздела фаз «твердое тело — жидкость». Работа обратимого изотермического процесса образования единичной поверхности равна поверхностному натяжению а (см. параграф 1.1). Следовательно, работа адгезии по определению равна:

где о_тг, g^ — поверхностные натяжения твердого тела и жидкости на границе с газом; g^— поверхностное (межфазное) натяжение на границе твердого тела с жидкостью. Уравнение (4.1) носит имя Дюпре.

Из уравнения Дюпре следует, что чем больше работа адгезии, тем меньше о_тж. Действительно, чем сильнее межмолекулярные взаимодействия жидкости и твердого тела, тем меньше нескомпенсированность сил в их поверхностном слое и тем меньше межфазное натяжение o_m.

Смачивание происходит на границе трех фаз, из которых одна является твердым телом, а две другие — либо несмешивающиеся жидкости (избирательное смачивание, см. рис. 4.2, б), либо жидкость и газ (см. рис. 4.2, а). Причем в последнем случае не только капля жидкости может быть окружена газом, но и пузырек воздуха может контактировать с твердой поверхностью в окружении жидкости.

Рис. 4.2. Случаи смачивания твердой поверхности жидкостями:

а — контактное смачивание г-ж-тв; б — избирательное смачивание ж_гж₂-тв

Смачивание поверхности при наличии трех фаз обычно называют контактным, а смачивание при полном погружении твердого тела в жидкость (соприкасаются только две фазы) — иммерсионным.

Смачивание количественно характеризуется краевым углом смачивания 0, или cos 0. Краевой угол — это угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной в точке раздела трех фаз. Отсчет угла проводят в сторону жидкости, как это изображено на рис. 4.2. Если О а_ТЖ], то cos 0 > 0 и 0 90°. В этом случае условию самопроизвольности AG 2

В табл. 4.1 видно, что работа адгезии перечисленных жидкостей отличается незначительно и вопрос о том, смачивается данная поверхность или нет, определяется главным образом поверхностным натяжением самой жидкости о_жг, т. е. межмолекулярными взаимодействиями внутри жидкости — когезией. Силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) называют в связи с этим когезионными силами. Жидкости с малым поверхностным натяжением (это обычно неполярные жидкости), например, непредельные углеводороды или бензол, смачивают практически все поверхности — полярные и неполярные. Жидкости с большим о_жг, такие как вода или ртуть, смачивают лишь те поверхности, к которым их адгезия велика. Например, вода хорошо смачивает полярные поверхности — кварц, бумагу, оксиды металлов; ртуть смачивает только поверхность металлов, лишенную оксидной пленки.

Когезия обусловливает существование веществ в конденсированном (твердом или жидком) состоянии: если бы вдруг исчезли силы когезии, то все жидкости и твердые тела мгновенно превратились бы в газ. Когезия количественно характеризуется работой когезии W_K, которая равна работе обратимого изотермического разрыва столбика исследуемого тела с сечением единичной площади (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема образования новой поверхности при разрыве столбика

образуются две новые поверхности единичной площади, работа образования

каждой из которых а_жг

В случае жидкости при разрыве образуется две поверхности раздела фаз «жидкость — газ», работа образования каждой из которых по определению равна о_жг, поэтому:

Из уравнений (4.4) и (4.5) следует:

Таким образом, работа адгезии, как и 0, может служить мерой смачивания поверхности. Действительно, чем больше W_a при данной W_K, тем больше cos 0 и меньше 0. При полном смачивании поверхности 0 = 0, cos 0 = 1 и W_a = W_K. Если 0 = 90°, то cos 0 = 0 и W_a = 1/2W_K. Таким образом, условие смачивания поверхности:

При полном несмачивании поверхности 0 = 180°, cos 0 = -1 и W_a = 0. Полное несмачивание поверхности не имеет места на Земле. Даже в случае ртути (а_жг = 0,47 Дж/м 2 ) максимальное значение 0 = 150°. Условие несмачивания поверхности может быть записано как

Природу поверхности твердого тела, а значит, и характер ее смачивания можно изменить путем модифицирования, например, проведя химическую обработку. Под гидрофилизацией поверхности понимают меры по снижению краевого угла смачивания. Напротив, гидрофоби- зация твердой поверхности предполагает процесс увеличения 0 при смачивании поверхности водой.

Один из широко распространенных способов изменения свойств поверхности основан на адсорбции ПАВ. Влияние ПАВ на смачивание зависит от того, на какой поверхности раздела фаз они адсорбируются: на твердой или на поверхности «жидкость — газ». Если поверхность твердого тела гидрофобная, то из водных растворов ПАВ адсорбируются и на твердой поверхности, и на границе «раствор — газ», ориентируясь при этом в соответствии с правилом выравнивания полярностей Ребиндера. В результате значения а_жг и о_тж уменьшаются, и, согласно выражению (4.2), твердая поверхность смачивается лучше, она становится менее гидрофобной. Происходит гидрофилизация поверхности. Может вообще произойти переход от несмачивания к смачиванию, т. е. инверсия смачивания.

Если поверхность твердого тела гидрофильная, вода хорошо смачивает ее, и адсорбция ПАВ в основном происходит на границе «жидкость — газ». В этом случае изменение 0 связано с уменьшением а_жг.

Возможность изменить природу поверхности твердого тела, придавая ей гидрофильность или гидрофобность, широко используют в полиграфической технологии при изготовлении форм офсетной печати. Для получения на поверхности формы печатающих элементов, которые должны хорошо смачиваться неполярной краской и плохо смачиваться водой (увлажняющим раствором), используют вещества, ориентирующиеся при адсорбции так, чтобы в сторону жидкости были обращены неполярные группы (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Ориентация молекул ПАВ на печатающих элементах формы

Для большей устойчивости полученной гидрофобной пленки необходимо, чтобы адсорбция указанных веществ была химической. Следует отметить, что только в этом случае и возможна указанная ориентация молекул — согласно правилу полярностей Ребиндера в сторону воды должны ориентироваться полярные группы. Взаимодействие молекул воды с углеводородными радикалами ПАВ слабее, чем с металлом, и поверхность формы гидрофобизуется. На рис. 4.5 приведена зависимость cos 0 смачивания водой поверхности меди, предварительно обработанной олеатом натрия, от концентрации олеата натрия. Видно, что при С₁ достигается инверсия смачивания: гидрофильная поверхность становится гидрофобной.

Рис. 4.5. Зависимость краевого угла смачивания поверхности медной пластины водой от концентрации С олеата натрия:

С_оп — оптимальная концентрация, выше которой увеличивать С не имеет смысла;

С_г — концентрация инверсии смачивания

Образование на формах плоской печати пробельных элементов, хорошо смачиваемых водой (увлажняющим раствором), сводится к получению устойчивой гидрофильной пленки на поверхности металла. Для этого поверхность формы обрабатывают растворами электролитов (обычно ортофосфорной кислоты и ее солей) или растворами полярных полимеров (крахмала, декстрина, натрий карбоксиме- тилцеллюлоза (КМЦ) и т. д.). Гидрофилизация поверхности происходит вследствие адсорбции указанных веществ и ориентации их молекул полярными группами в сторону воды.

Ортофосфорная кислота химически взаимодействует с оксидной пленкой на поверхности металла:

В результате на пробельных элементах формы образуется тонкая солевая микропленка фосфата алюминия, практически нерастворимая в воде, которая улучшает смачивание поверхности увлажняющим раствором (водой). Концентрация Н₃Р0₄ должна быть вполне определенной, так как в избытке кислоты происходит образование кислых солей А1₂(НР0₄ )з, А1(Н₂Р0₄)₃, растворяющихся в воде, вследствие чего достигнутая смачиваемость поверхности ухудшается.

На рис. 4.6 приведена кривая гидрофилизации поверхности алюминиевой пластинки раствором ортофосфорной кислоты. Гидрофильная поверхность алюминия (cos 0 > 1) становится еще более гидрофильной.

Рис. 4.6. Зависимость краевого угла смачивания водой поверхности алюминия, обработанной ортофосфорной кислотой, от концентрации ортофосфорной кислоты С

Часто возникает необходимость оценки смачивания порошков и пористых тел. В этом случае мерой смачивания служит интегральная теплота смачивания Q_CM — это количество теплоты, которое выделяется (в редких случаях — поглощается) при погружении исследуемого тела, единицы массы (1 кг или 1 г) в жидкость. Характер поверхности при этом определяют по величине коэффициента гидрофилъности q, равного отношению теплот смачивания тела водой Q_B и неполярной жидкостью Q_H, т. е. q = Q_B/Q_H. Если q 1, то — гидрофильная. Значения q для поверхностей некоторых веществ приведены ниже:

Коэффициент гидрофильности можно определить и как отношение дифференциально-молярных изостерических теплот адсорбции воды и гептана, последние можно измерить из зависимости времени удерживания веществ от температуры методом обращенной газовой хроматографии (см. подпараграф 3.5.8).

Следует отметить, что величины q и Q, помимо свойств самой поверхности, зависят от множества других факторов: времени смачивания, присутствия примесей, количества «связанной воды» (увлажнения поверхности) и т. д., учесть которые не всегда представляется возможным.

Оценку смачивания поверхности порошков и пористых тел (например, почвы или муки) проводят также по скорости движения фронта жидкости в горизонтальной трубке, заполненной порошком, или по высоте подъема жидкости в вертикальной трубке с порошком. Смачивание порошков и пористых тел можно определить и по величине краевого угла. Для этого на брикет, спрессованный из порошка и насыщенный испытуемой жидкостью, наносят каплю. Краевой угол рассчитывают по уравнениям

(при О 90°), где е — пористость брикета (определяют из адсорбционных измерений), а — капиллярная постоянная, ft — высота капли. Этот метод получил название (ft — е)-метод.

Процессы адгезии, когезии и смачивания в пищевых технологиях. Процессы адгезии, когезии и смачивания твердых поверхностей жидкостями играют огромную роль в пищевых производствах. Так, при выборе способа резки полосы помадных конфет на продольные полосы необходимо учитывать силы адгезии. Если адгезия материала ножа с помадной массой меньше когезии разрезаемого продукта, то помадная масса будет отрываться от ножа и оставаться на ленте. Другой пример: тесту свойственна способность прилипания (адгезии) к рабочим поверхностям тесторазделочного оборудования. Это должно учитываться в технологии при формировании, например, сахарного и песочного сдобного теста на ротационной машине. Сила прилипания (адгезии) теста к ячейкам ротатора не должна превышать силы сцепления частиц теста между собой (когезии). В противном случае не удается извлечь тесто из ячеек ротора. Сила прилипания теста к приемному полотну должна превышать силы адгезии к ячейкам ротора.

Оценка адгезии производится по относительному показателю — усилию отрыва тестовой заготовки. Однако следует помнить, что часть работы отрыва затрачивается на деформацию адгезива (теста), и ее следует учитывать. С этой целью получают зависимости адгезионной прочности от давления контакта Р_к при постоянной скорости отрыва и адгезионной прочности от скорости отрыва У_отр при постоянном давлении контакта. Полученные зависимости экстраполируют на Р_к = 0 и У_отр = 0 и получают тем самым так называемую нормированную адгезионную прочность /_н (табл. 4.2). Видно, что для полимерных материалов значения нормированной адгезионной прочности на один- два порядка ниже, чем для металлических поверхностей. Наименьшее

/_н имеет шерстяное сукно, не случайно в технологии хлебопечения в качестве платок в шкафах расстойки и транспортных лент применяют именно шерстяные сукна и фетр. Однако эти материалы имеют ряд существенных недостатков: высокую стоимость; ограниченный срок службы, обусловленный низкой бактерицидной устойчивостью, приводящей к развитию плесени на поверхности ткани; низкую прочность на разрыв и высокое относительное удлинение. По этой причине замена шерстяных материалов на вискозно-льняные ткани имел бы существенный экономический эффект.

Значения f_H теста к поверхностям различной природы

Видео:Урок 197. Поверхностная энергия. Коэффициент поверхностного натяженияСкачать

Убайдуллаев Абдулазиз Лаб-2 Т-34. Лабораторная работа 2 по курсу Коллоидная химия Исследование смачивания поверхности твердых тел и определение работы адгезии

Название	Лабораторная работа 2 по курсу Коллоидная химия Исследование смачивания поверхности твердых тел и определение работы адгезии
Дата	16.01.2022
Размер	212.96 Kb.
Формат файла
Имя файла	Убайдуллаев Абдулазиз Лаб-2 Т-34.docx
Тип	Лабораторная работа #332064

Подборка по базе: рактическая работа 1.doc, Практическая работа 1 Сравнительный анализ требований к результа, Практическая работа 1.docx, Практическая работа 2-4.docx, Практическая работа к теме Развитие компетенции Научное объяснен, Итоговая работа 5 класс.docx, практическая работа 2 Мерзляков А.А.docx, 02.03.2022 КОЖА проверочная работа.docx, Практическая работа №5.docx, Практическая работа 1.docx

Филиал Российского Химико-Технологического Университета имени Д.И. Менделеева в Ташкенте

КАФЕДРА КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Лабораторная работа №2

по курсу «Коллоидная химия»

Исследование смачивания поверхности твердых тел и

определение работы адгезии

Студенты 3-ого курса

Аширханов Б., Убайдуллаев А.

Цель работы: Определите работы смачивания и работы адгезии; Изучение влияния адсорбции ПАВ на смачивания твёрдых тел, поверхностей методам измерения краевых углов.

Порядок выполнения работы:

Для проведения работы необходимы

— прибор для определения краевых углов

— прибор для измерения поверхностей натяжения жидкости

— колбы ёмкостью 50мл

— пластинки полимера (политетрафторэтилен – тефлон)

— раствор ПАВ (олеат натрия)

Готовят 5-6 водных растворов ПАВ различных концентраций. Измерим краевые углы θ на границах раздела фаз. Измерения проводят 3 раз и значения θ находят как среднее арифметическое. По формулам рассчитаем работу адгезии и работу смачивания для каждого раствора. Строят изотерму смачивания cos θ= ƒ(C_пав) и кривую зависимости работы смачивания от концентраций.

По ним определим точку инверсии смачивания, т.е. концентрации ПАВ, при которой поверхность исследуемой полимера становится гидрафильной.

1.Измерение краевого угла:

Т.к. у нас есть значение краевого угла, мы находим cosθ и среднее значение cosθ.

2. Измерение поверхностного натяжения:

Работа смачивание в зависимости от знака косинуса краевого угла может быть либо положительной, либо отрицательной.

3. Расчет работы адгезии:

Таблица с экспериментальными данными и вычислениями:

ПАВ – олеат натрия

Вывод: В лабораторной работе №2, мы измерили краевой угол и наблюдали за процессом, следующий этап мы измерили краевой угол с помощью горизонтальным микроскопом. В конце мы сделали все необходимые расчеты, построили графики и ответили на вопросы

Ответы на вопросы

Что такое поверхностное натяжение и в каких единицах оно измеряется?

Поверхностное натяжение — работа, совершенная при создании 1м 2 новой поверхности при разрыве межмолекулярных связей. Измеряется в Дж/м 2 или в Н/м.

Как зависит поверхностное натяжение от природы вещества, образующего поверхность (межмолекулярного взаимодействия)?

Поверхностное натяжение зависит от природы, т.е. от сил притяжения между молекулами. Чем сильнее межмолекулярные связи, тем больше поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей, имеющих слабые межмолекулярные связи, и больше у полярных жидкостей. Большим поверхностным натяжением обладают вещества с водородными связями. У твердых веществ больше поверхностное натяжение из-за большей силы межмолекулярного взаимодействия.

Что называют адгезией и смачиванием? Какие параметры используют для их количественной характеристики?

Адгезия — межфазное взаимодействие 2-х разных фаз, приведенных в контакт, сопровождающееся снижением поверхностной энергии. Количественной характеристикой адгезии является работа адгезии (W_a) – работа, затрачиваемая на разрыв адгезионного соединения.

Смачивание — межфазное взаимодействие между приведенными в контакт тремя фазами.

Количественной характеристикой смачивания является угол смачивания (краевой угол, 𝜃).

Уравнение Юнга для краевого угла: 𝜎₃₁ = 𝜎₃2 + 𝜎₂₁ cos 𝜃; cos 𝜃 = 𝜎 31_𝜎 − 21 𝜎 32

Покажите взаимосвязь между адгезией и способностью жидкости смачивать твердую поверхность. В чем состоит различие между явлениями адгезии и смачивания?

Адгезия жидкости к твердому телу сопровождается смачиванием его поверхности, т.е. адгезия и смачивание — это две стороны одного и того явления. Адгезия обуславливает взаимодействие между твердым телом и контактирующей жидкостью, а смачивание — явление, которое имеет место в результате этого взаимодействия.

Различие состоит в том, что смачивание имеет место при наличии 3-х сопряженных фаз.

Как влияет природа твердого тела и жидкости (межмолекулярное взаимодействие в них) на смачивание и адгезию?

Поверхностное натяжение и межмолекулярные взаимодействия внутри фаз обусловливают процессы смачивания, растекания капли жидкости на твердых и жидких поверхностях, а также явления когезии и адгезии. Адгезия в значительной степени определяется природой функциональных групп молекул контактирующих веществ. Например, близкие значения работы адгезии к воде имеют соединения с одинаковыми функциональными группами (в двухфазных системах жидкость-жидкость). Смачивающая способность жидкостей и адгезионное взаимодействие их с твердыми телами определяются природой веществ, составляющих эти фазы. Решающее значение при этом играет состояние поверхности твердого тела и его поверхностное натяжение

Дайте характеристику и приведите примеры гидрофильных и гидрофобных поверхностей. Как можно повлиять на смачивание поверхности?

Если между нанесенными на поверхность водой и неполярным углеводородом краевой угол меньше 90° со стороны воды, то поверхность называют гидрофильной или олеофобной. Если же краевой угол меньше 90° со стороны углеводорода, то поверхность будет олеофильной или гидрофобной.

Гидрофильную поверхность имеют, например, оксиды и гидроксиды металлов, силикаты, сульфаты, карбонаты. Гидрофобной поверхностью обладают органические с большим содержанием углеводородных групп, сульфиды металлов и др.

Эффективно влиять на смачивание можно с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ): при добавлении ПАВ в водные растворы краевые углы капель на гидрофобных поверхностях уменьшаются, и наблюдается переход от несмачивания к смачиванию.

Чем обусловлено улучшение смачивания водой гидрофобных поверхностей при введении в нее ПАВ?

Роль ПАВ при смачивании, например, водой поверхности неполярных материалов иллюстрирует рисунок:

При введении ПАВ в смачивающую жидкость молекулы (ионы) ПАВ адсорбируются на межфазных поверхностях. В адсорбционных слоях полярные группы молекул обращены в сторону полярной фазы (воды), а неполярные части молекул — в сторону неполярных фаз, то есть твердого тела и воздуха. Адсорбция в свою очередь вызывает снижение поверхностных натяжений на границах раствор-воздух и твердое тело-раствор. Из закона Юнга следует, что такое снижение величин σ₃₁ и σ₂₁ ведет к росту cosθ, то есть к улучшению смачивания.

Что такое углы натекания и оттекания и как по ним можно найти равновесный краевой угол?

При наличии гистерезиса смачивания различаются краевые углы натекания и оттекания. При увеличении капли формируется краевой угол натекания, а -при ее уменьшении — краевой угол оттекания. Статические углы натекания и оттекания, формирующиеся при изменении количества жидкости в капле (а) и угла наклона поверхности (б) т. е. максимальный угол — угол натекания и минимальный угол — угол оттекания.

Как влияет неоднородность и шероховатость твердых поверхностей на их смачивание и адгезию?

Шероховатость поверхностей твердых тел изменяет равновесный угол и характеризуется микрорельефом поверхности твердого тела, т. е. наличием на ней выступов и впадин

. Влияние шероховатости на равновесный краевой угол легко учесть при условии, что размер капли значительно больше среднего размера выступов и впадин на поверхности. При смачивании cosθ>0, поэтому шероховатость, увеличивая cos θ, уменьшает угол смачивания, т. е. смачивание улучшается. Если cosθ Что такое коэффициент Гаркинса? Каковы условия растекания жидкостей?

Нулевому краевому углу соответствует равенство между работой адгезии между жидкостью и смачиваемой поверхностью и работой когезии смачивающей жидкости Wa=Wk. Разность этих работ фактически является работой растекания. Она выступает в качестве количественной характеристики растекания и носит название коэффициента растекания по Гаркинсу:

Условием растекания служит коэффициент Гаркинса. Из выражения следует, что растекание жидкости возможно в случае если работа сил адгезии W_a будет больше работы сил когезии W_k, то есть f >0. В случае же когда работа адгезии меньше работы когезии и f Как влияет кривизна поверхности и природа жидкости на ее внутреннее давление? Каковы причины поднятия (опускания) жидкостей в капиллярах?

Если поверхность жидкости не плоская, а искривленная, то она оказывает на жидкость избыточное давление. Это давление, обусловленное силами поверхностного натяжения, для выпуклой поверхности положительно, а для вогнутой поверхности – отрицательно.

Причинами поднятия жидкости в капилляре является неуравновешенное электромагнитное поле поверхностного слоя жидкости, контактирующее с электромагнитным полем стенок капилляра.

Убайдуллаев Абдулазиз Т-34