Краевой угол смачивания, его расчет. Лиофильные и лиофобные поверхности.
Определение краевого угла. Причины, затрудняющие это определение
Для определения краевого угла, который образован жидкостью на твердом теле, на поверхность наносят небольшую каплю жидкости и с помощью пучка света, который направляется параллельно поверхности, проецируют боковое изображение капли на экран приемника сигнала. На экране очерчивают полученный контур капли, сидящей на поверхности твердого тела, и через точку, в которой соприкасаются все три фазы, строят касательную к полученному контуру капли. Угол наклона к этой касательной есть величина краевого угла. Для измерения угла, образующегося двумя несмешивающимися жидкостями на поверхности твердого тела, пластинку исследуемого вещества погружают в кювету из прозрачного стекла, и потом на поверхность пластинки с помощью пипетки вторично наносят каплю более тяжелой жидкости.
Изотермы краевых углов смачивания низкоэнергетических поверхностей (полимеров) позволяют рассчитать адсорбцию ПАВ на границе «твердое тело – раствор». Для расчета возьмем уравнение Юнга и уравнение Гиббса для разбавленных растворов:
При смачивании низкоэнергетических поверхностей адсорбция ПАВ на границе «твердое тело – газ» равна нулю, т. е.:
σтг = const, σтг / dc = 0.
Получаем:
Но необходимо также упомянуть, что определить истинное значение краевого угла очень затруднительно по следующим причинам.
|
|
|
1. На краевой угол могут влиять следы веществ, которые загрязняют поверхность, такой эффект возникает даже при небольших количествах загрязняющих веществ. На смачивании поверхности может сказываться контакт этой поверхности в течение времени с воздухом, особенно в промышленных городах, где в воздухе содержится некоторое количество углеводородов.
2. Металлы окисляются, и на их поверхности образуется тонкая, очень трудно обнаруживаемая пленка окисла. Она влияет на смачивание. Для определения краевого угла нужно использовать незагрязненные и неокисленные поверхности.
3. Поверхность смачивания хорошо адсорбирует воздух, и он замедляет процесс растекания жидкости по поверхности. Для вытеснения воздуха и установления краевого угла требуется определенное время.
4. На смачивание твердого тела может влиять шероховатость поверхности: чем больше шероховатость, тем резче проявляются свойства поверхности, которые обусловливают отталкивание или притяжение воды. Гидрофильной поверхности шероховатость придает еще большую гидрофильность, а у гидрофобной поверхности шероховатость увеличивает гидрофобность. Поверхность исследуемого вещества должна быть гладкой.
|
|
|
5. На краевой угол могут влиять условия образования поверхности, т. е. это зависит от гидрофобности или гидрофильности молекулы. При нанесении на поверхность смачивания веществ, имеющих в своем составе такие молекулы, краевой угол, являющий мерой смачивания, уменьшается в результате снижения сил поверхностного натяжения, а смачивание возрастает. Использование поверхностно-активных веществ приводит к адсорбции на поверхности. Ориентируясь углеводородными цепями в воздух, на поверхности создается пленка из углеводородов. Понижается поверхностное натяжение раствора и повышается смачивающая способность вещества.
****************************************************************************************************************************************
Угол контакта
Угол контакта (θ) – это угол, который образуется между каплей жидкости и поверхностью твердой или иной фазы.
Равновесие сил, воздействующих на угол контакта (θ)
Равновесное уравнение: γsv = γsl + γlv cosθ
γlv –равновесное состояние между жидкостью и газовой фазой;
γsv –равновесное состояние между твердой фазой и газовой фазы;
γsl – равновесное состояние между твердой и жидкой фазами.
краевой угол смачивания
|
|
|
Статический угол контакта
Статический угол контакта измеряется в том случае, когда капля жидкости находится в неподвижном состоянии на твердой поверхности.
Динамический угол контакта
Динамический угол контакта измеряется в том случае, когда граница раздела фаз движется и происходит изменение статического угла контакта во времени. Динамический угол контакта бывает двух типов – наступающий и отступающий. Измерение может быть произведено двумя методами – метод изменения объема капли и метод наклона подставки.
Наступающий угол смачивания θa : наибольший угол контакта достигается путем увеличения межфазной поверхности при добавлении дополнительного количества жидкости.
определение угла смачивания
Отступающий угол смачивания θr: возникает при уменьшении объема жидкой капли.
Угол гистерезиса θH: является разницей между наступающим и отступающим углами θH = θa - θr
контактный угол смачивания
Наклонный метод: совмещает как наступающий, так и отступающий угол контакта в одной капле. Капля помещается на рабочий столик, который постепенно начинает наклоняться. Наступающий угол измеряется в нижней части капли (на картинке слева), когда она начинает двигаться. Отступающий угол контакта измеряется в верхней части капли (на картинке справа).
|
|
|
Методы измерения и расчета угла смачивания лежачей капли
Существует 4 метода измерения и расчета угла смачивания лежачей капли:
1. Полуугловой метод
2. Круговой метод
3. Эллиптический метод
4. Тангенциальный метод
Полуугловой метод
метод лежащей капли
Если размер капли мал, то ее можно представить как часть сферы и профиль капли в двух измерениях, т.е. в виде круга.
Здесь h – высота, а r – половина ширины базовой линии. Таким образом, θ1 = tan-1h/r. И в случае простой геометрии угол смачивания можно выразить следующим образом θ = 2θ1. (см. рисунок). Рассчитав h и r при помощи анализа изображения, далее можно рассчитать угол контакта θ.
измерение поверхностного натяжения воды
Этот метод подходит для капель симметричной формы и меньшего размера. Для капель большего размера и тяжести можно снизить высоту вершины.
Круговой метод
Стадии расчета угла контакта круговым методом:
Захват и сохранение изображения с упавшей каплей.
Распознавание базовой линии
Выберите 3 или более точек на краю криволинейного профиля капли.
По кривой с данными точками можно найти уравнение окружности.
Угол смачивания представляет собой угол между касательной и базовой линией.
Данный метод является наиболее распространенным при вычислении угла контакта.
Эллиптический метод
В эллиптическом методе применяется построение кривой профиля капли. В этом отношении данный метод похож на круговой.
Захват и сохранение изображения с упавшей каплей.
Распознавание базовой линии
Выделение 6 базовых точек на кривой
Вычисляется уравнение эллипса
Угол смачивания представляет собой угол между касательной и базовой линией
По сравнению с другими данный метод является достаточно сложным. Поэтому он используется для вычисления угла смачивания по методу лежачей капли в диапазоне 0 - 130°С.
Тангенциальный метод
Форма капли представляется как часть контура предполагаемой окружности. В данном методе определяется центр предполагаемой окружности, и угол контакта представляет собой угол между касательной и окружностью.
коэффициент поверхностного натяжения жидкости
Три точки L1, L2 и L3 образуются на представляемой окружности. Левый гол контакта – угол между касательной m и базовой линией l. Правый угол контакта может быть измерен таким же образом при помощи точек R1, R2, и R3.
Измерение краевого угла
1. Подготовка образца
Образцы должны быть подготовлены заранее, и их поверхности должны быть надлежащим образом очищены непосредственно перед измерениями угла контакта. Образец следует размещать строго в горизонтальном положении. Необходимо тщательно очистить иглу шприца. Это важно потому, что жидкость, выходящая из иглы, может немного подниматься вверх по наружной поверхности иглы в ходе эксперимента. Желательно натереть кончик иглы водоотталкивающим составом.
2. Обеспечение условий влажности / уровни пара
Образец должен быть помещен в измерительную ячейку, заполненную рабочей жидкостью. Эти операции проводятся за несколько минут до измерения угла контакта. На данном этапе необходимо закрепить шприц, заполненный рабочей жидкостью, и выровнять иглу по отношению к поверхности образца.
3. Измерение статического угла контакта
После выхода жидкости из иглы должна появиться капля. Диаметр капли должен быть больше диаметра иглы в 3-4 раза. Подача жидкости должна осуществляться до того момента, пока целая капля не выйдет из иглы. Далее игла должна быть удалена. Нужно выждать 1-3 минуты для стабилизации капли, после чего можно померить статический угол контакта.
4. Измерение наступающего угла контакта
Игла должна быть перемещена назад к капле и необходимо добавлять жидкость до того момента, пока не растечется база. Далее игла снимается и измеряется наступающий угол контакта. Эта операция повторяется 3-5 раз, после чего берется среднее значение.
5. Измерение убывающего угла контакта
Игла погружается в каплю для того, чтобы начать втягивать жидкость обратно, уменьшив тем самым размер капли. Данную операцию следует проводить аккуратно, не меняя, диаметра капли. После аккуратного удаления иглы можно измерить убывающий угол контакта. Измерение следует провести 3-5 раз, усреднив в конечном итоге результат.
6. Воспроизведение результатов
Измерение угла контакта необходимо повторить либо на 3 – 5 точках одного и того же образца, либо на других таких же образцах, прошедших те же стадии очистки.
**********************************************************************************************************************************
ТЕРМОДИНАМИКА 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.
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 (0Д). 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 (θСт).
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.
Отсюда следует, что из двух жидкостей лучше смачивает данную поверхность та, при растекании которой поверхностная энергия системы уменьшается на большую величину. Поскольку смачивание сопровождается уменьшением поверхностной энергии, в процессе смачивания выделяется тепло. Теплота смачивания 1 см2 поверхности обычно колеблется от 10-3 до 10-5 кал. Теплота смачивания может служить характеристикой способности жидкости сманивать поверхность твердого тела, если нельзя определить краевой угол смачивания, например при смачивании жидкостью порошков.
Явление смачивания можно наблюдать и тогда, когда вместо воздуха взята вторая жидкость, не смешивающаяся с первой и имеющая меньшую плотность. Если каждая из двух жидкостей может смачивать поверхность, то, очевидно, между ними будет происходить конкуренция, аналогичная конкуренции при адсорбции
двух адсорбтивов. Исходя из того, что смачивание определяется соотношением молекулярных сил, действующих между молекулами каждой отдельной жидкости, с одной стороны, и между молекулами жидкостей и молекулами твердого тела, с другой стороны, нетрудно видеть, что из двух жидкостей смачивать поверхность
будет та, значение полярности которой ближе к полярности твердого тела. О жидкости, лучше смачивающей поверхности, говорят, что она обладает большим избирательным смачиванием по отношению к данной поверхности.
Избирательное смачивание было исследовано П. А. Ребнндером. Рассмотрим это явление более подробно. Представим себе, что поверхность твердого тела находится в соприкосновении с полярной водой и каким-нибудь неполярным углеводородом.
Тогда, если вода избирательно смачивает поверхность, т. е. если краевой
угол θ, образуемый со стороны воды, <90°, а значение В= cosθ>0, поверхность называют гидрофильной. Согласно уравнению (2) этот случай имеет место при условии, когда σ2,3> σ1,3. Избирательное смачивание водой наблюдается обычно когда разность полярностей между водой и твердым веществом меньше, чем между неполярным углеводородом и твердым веществом. К веществам с гидрофильной поверхностью относятся вещества с сильно выраженным межмолекулярным взаимодействием, например кварц, стекло, корунд, гипс, малахит, т. е. силикаты, карбонаты, сульфаты, а также окиси и гидраты окисей металлов. Из органических веществ в качестве веществ с гидрофильной поверхностью можно указать целлюлозу.
Если же твердое тело лучше смачивается неполярным углеводородом, т. е. если для воды θ > 90°, а значение B = cosθкогда σ2,3< σ1,3. Избирательное смачивание неполярным углеводородом наблюдается тогда, когда разность полярностей между углеводородом и твердым веществом меньше, чем между водой и этим веществом. К веществам с гидрофобной поверхностью относятся все углеводороды и другие органические соединения с большими углеводородными радикалами. Из неорганических соединений сюда надо отнести сульфиды тяжелых металлов, тальк, графит, серу.
При краевом угле, равном 90°, очевидно, будет наблюдаться промежуточный случай, когда избирательное смачивание отсутствует.
Интересно, что если все минералы разместить в ряд соответственно возрастанию их твердости, то этот ряд, как указал П. Л. Ребнндер, совпадает с рядом тех же минералов, расположенных по их избирательной смачиваемости водой. Минералы высокой твердости—кварц, корунд, алмаз—обладают очень высокой гидрофильностью. Следует заметить, что во многих учебниках и монографиях гидрофильной или гидрофобной поверхностью называется поверхность, на которой вода образует, соответственно, острый или тупой краевой угол на границе с воздухом. Так определять гидрофильность или гидрофобность неправильно, поскольку большинство поверхностей дают с водой в атмосфере воздуха острые краевые углы. Иначе обстоит дело при избирательном смачивании поверхности водой в присутствии неполярной жидкости. В этом случае вода далеко не всегда образует острый краевой угол. Гидрофильные поверхности в этих условиях будут избирательно смачиваться водой, при этом краевые углы θ < 90°; однако если поверхности гидрофобные, углеводород частично вытесняет воду и для воды θ >90°С.
2.2 Определение краевого угла. Для измерения краевого угла, образуемого жидкостью на твердом теле, на его поверхность наносят небольшую каплю жидкости и с помощью пучка света, направленного параллельно поверхности, проектируют боковое изображение капли на экран, затем на экране очерчивают контур капли, сидящей на поверхности твердого тела, и через точку, в которой соприкасаются все три фазы, проводят касательную к контуру капли. Угол наклона этой касательной и есть краевой угол.
Для измерения краевого угла, образуемого двумя несмешивающимнся жидкостями на поверхности твердого тела, пластинку из исследуемого вещества погружают в стеклянную кювету с более легкой жидкостью и затем на поверхность пластинки осторожно с помощью пипетки наносят каплю более тяжелой жидкости. Далее поступают так же, как и в предыдущем случае.
Следует заметить, что определить истинное значение краевого угла часто затруднительно по следующим причинам.
1. На краевой угол могут влиять следы веществ, загрязняющих поверхность. Резкое изменение смачивания происходит уже при образовании на поверхности мономолекулярного слоя, загрязняющего вещества, для чего нужны ничтожные его количества. По данным некоторых исследователей, на смачивание поверхности может сказываться даже контакт этой поверхности в течение некоторого времени с воздухом промышленных городов, всегда содержащим следы углеводородов.
2. Многие вещества, например металлы, хорошо окисляются и на их поверхности образуется тончайшая, трудно обнаруживаемая пленка окислов. Эта пленка также может сильно влиять на смачиванне. Поэтому для определения краевого угла надо брать незагрязненные и неокислившиеся поверхности.
3. Поверхности обычно хорошо адсорбируют воздух. Естественно, что адсорбированный воздух замедляет процесс растекания жидкости по твердому телу, так как для вытеснения воздуха с поверхности и установления равновесного краевого угла требуется определенное время. Подобное замедление установления равновесного краевого угла называется гистерезисом смачивания. Во многих случаях равновесное значение краевого угла из-за гистерезиса может и не достигаться вовсе.
Явление гистерезиса наглядно проявляется в том, что краевой угол очень часто зависит от условия его образования. А именно, если каплю жидкости прижать к поверхности твердого тела, то краевой угол будет меньше, чем в том случае, если каплю осторожно нанести на поверхность. В капиллярах с неполностью смачиваемыми стенками вследствие гистерезиса жидкость поднимается на различную высоту в зависимости от того, поднимается ли жидкость свободно по капилляру, или же сначала заполняют капилляр и затем дают стечь жидкости до достижения равновесного положения. Гистерезис является также причиной того, что краевой угол, образуемый при натекании жидкости, обычно гораздо больше, чем при оттекании. Последнее явление можно наблюдать, когда капли дождя стекают не по слишком чистому оконному стеклу, при этом капли как бы задерживаются и снизу образуют гораздо больший краевой угол, чем сверху. С целью устранения гистерезиса, происходящего в результате адсорбции воздуха, методику определения краевого угла можно видоизменить следующим образом. Пластинку твердого вещества вводят в стеклянную кювету с жидкостью и после полного смачивания ее поверхности устанавливают в горизонтальном положении. Затем под пластинку, не вынимая ее из жидкости, с помощью пипетки с загнутым концом вводят пузырек воздуха. Далее определение краевого угла, который и в этом случае измеряют со стороны жидкости, проводят так, же, как было описано выше*.
4. На смачивание твердого тела может влиять шероховатость поверхности, причем чем больше шероховатость, тем резче проявляются свойства поверхности, обуславливающие притяжение или отталкивание воды. Подобное влияние можно объяснить тем, что при θ < 90° (для гладкой поверхности) жидкость проникает в углубления поверхности подобно тому, как она всасывается в смачиваемые ею капилляры. Понятно, что это улучшает смачивание шероховатой поверхности. Если θ > >90°, то жидкость не проникает в углубления, что ухудшает смачивание шероховатой
поверхности. Иными словами, гидрофильной поверхности шероховатость придает как бы еще большую гндрофнльность, а шероховатость гидрофобной поверхности делает ее еще более гидрофобной. Для исключения влияния микрорельефа поверхность исследуемого твердого тела должна быть возможно более гладкой.
• Более подробные сведения о гистерезисе смачивания можно найти в работах. П. А. Ребнндер и др. Исследования в области поверхностных явле ний. М.. ОНТИ. 1936, 299 с.
5. На краевой угол могут влиять условия образования поверхности. Так, поверхность стеариновой кислоты, полученная охлаждением ее расплава на воздухе, гидрофобна. Поверхность же стеариновой кислоты, полученная охлаждением ее расплава на границе со стеклом, оказывается гидрофильной. Это явление можно объяснить тем, что в первом случае наружу слоя кислоты (в воздух) обращены, главным образом, гидрофобные углеводородные радикалы стеариновой кислоты, а во втором случае, благодаря действию поверхности полярного стекла на расплав, наружу обращены полярные гидрофильные карбоксильные группы.
Вообще благодаря определенной ориентации молекул вещества в поверхностном слое можно говорить о поверхностной и объемной гидрофнильности или гидрофобности вещества. В. А. Пчелиным было показано, что поверхность животного волоса гидрофобна, в то время как само вещество волоса гидрофильно.
На практике наиболее важен случай, когда смачивающей жидкостью является вода. Плохо смачиваются водой неполярные вещества, например поверхности, покрытые углеводородами. Для улучшения смачивания водой обычно применяют смачиватели — растворимые, хорошо адсорбирующиеся, поверхностно-активные
вещества, понижающие поверхностное натяжение на границе твердое тело— жидкость и одновременно на границе жидкость—воздух. При нанесении на поверхность смачивателя краевой угол, являющийся мерой смачивания, согласно уравнению (2), уменьшается в результате снижения значений σ1,3 и σ1,2, а смачивание соответственно возрастает.
Обычно молекулы смачивателей дифильны, что характерно для всякого поверхностно активного вещества, и адсорбируются на поверхности воды, ориентируясь углеводородными цепями наружу в воздух, благодаря чему на поверхности воды создается как бы пленка углеводорода. Этим и объясняется понижение поверхностного натяжения раствора и повышение смачивающей способности
до значений, соответствующих поверхностным натяжениям органических неполярных жидкостей.
Интересным свойством монослоев поверхностно-активных веществ является их способность переходить из раствора на твердую поверхность и образовывать на этой поверхности полимолекулярные слои. Это свойство было обнаружено еще Блоджетт на следующем опыте.
В мономолекулярный плотно упакованный слой молекул поверхностно-активного вещества, образованный на поверхности воды, осторожно вводят в вертикальном, положении стеклянную пластинку. При погружении этой пластинки гидрофильная поверхность ее покрывается мономолекулярным слоем поверхностно-активного вещества, причем полярная часть молекул вещества, естественно, будет обращена к полярной поверхности стекла и поверхность пластинки, таким образом, станет гидрофобной. После этого пластинку вместе с адсорбированным на ней слоем поверхностно-активного вещества осторожно извлекают из раствора. При этом на пластинке, уже адсорбировавшей мономолекулярный слой поверхностно-активного вещества, адсорбируется второй слой того же вещества, причем неполярные радикалы молекул этого слоя обращены к неполярным радикалам первого слоя, т. е. по направлению к пластинке. В результате на поверхности пластинки образуется бимолекулярный слой молекул, обращенных друг к другу неполярными радикалами, а поверхность пластинки станет снова гидрофильной. Неоднократно повторяя эту операцию, можно перенести на пластинку значительное число слоев поверхностно-
активного вещества, делая поочередно поверхность пластинки то гидрофобной, то гидрофильной.
2.3 Практическое значение смачивания. Смачивание имеет большое значение для успешного проведения ряда важнейших технологических процессов. Например, в текстильной технологии хорошее смачивание волокна или тканей является важным условием для крашения, беления, расшлихтовки, пропитки, стирки и т. д. Совершенно понятна роль смачивания для эффективного применения инсектофунгисидов, поскольку листья растений и шерстяной покров животных всегда в той или иной степени гидрофобны. Большое значение имеет смачивание и в типографском деле. Смачивание соответствующими жидкостями металлов и неметаллических тел ускоряет и облегчает их механическую обработку (резание, сверление, шлифовку, полировку). Бурение нефтяных скважин в горных породах также облегчается, если применять специальные бурильные растворы, содержащие смачиватели. При лужении, спайке, сварке металлов, а также склеивании различных твердых тел необходимо прежде всего хорошее смачивание их поверхности. Наконец, на явлениях избирательного смачивания основано обогащение руд — флотация.
***********************************************************************************************************************************
Лиофильные и лиофобные дисперсные системы
По характеру взаимодействия коллоидных частиц с дисперсионной средой лиозоли могут быть разделены на лиофильные и лиофобные. Впервые эта классификация была предложена немецким ученым-коллоидником Фрейндлихом. Он разделил все системы на два класса – лиофильные и лиофобные. В соответствии с представлениями, развитыми Фрейндлихом, лиофобными называют системы, частицы дисперсной фазы которых не взаимодействуют с дисперсионной средой, не сольватируются и не растворяются в ней. Лиофильные- это системы, частицы дисперсной фазы которых интенсивно взаимодействуют с дисперсионной средой.
Примеры лиофобных систем
К лиофобным системам относятся золи драгоценных металлов, золи металлоидов (серы, селена, теллура), дисперсии полимеров в воде (например, полистирола, фторолона), золи сульфидов мышьяка, сурьмы, кадмия, ртути, золи гидроксидов железа, алюминия и т.д. Эти системы характеризуются, так называемой, кинетической устойчивостью и агрегативной неустойчивостью и требуют стабилизации. К лиофильным коллоидным системам Фрейндлих отнес растворы, образующиеся при растворении природных или синтетических ВМС. Таковы растворы белков, крахмала, пектинов, камедей, эфиров целлюлозы и разнообразных смол, как природных так и синтетических.
Таким образом, растворы ВМС рассматривались ранее как лиофильные коллоидные системы. Они считались двухфазными дисперсными системами и таким образом сущность классификации Фрейндлиха сводилась к молекулярным взаимодействиям между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Именно на этом основании проводилось разделение на лиофильные и лиофобные системы.
Лиофильные системы считались двух- или многофазными, термодинамически неустойчивыми, неподчиняющимися правилу фаз Гиббса. Но такое представление оказалось неправильным. На самом деле в настоящее время достоверно установлено, что растворы ВМС - это истинные растворы, т.е. однофазные системы, гомогенные, термодинамически устойчивые и подчиняющиеся правилу фаз Гиббса. Считалось, что обратимость - это характерное свойство лиофильных коллоидных систем, но это не так, потому что в данном случае растворы ВМС не являются дисперсными системами.
В связи с этим академик В.А. Каргин еще в 1948 г. обратил внимание на то, что классификация Фрейндлиха совершенно неверна и даже более того - вредна.
Чтобы не менять смысла этих терминов, П.А. Ребиндер предложил оформить понятия лиофильные и лиофобные коллоидные системы. Дисперсные много-или двухфазные системы он разделил на два класса, исходя из величины удельной межфазовой энергии (поверхностного натяжения).
К лиофобным системам были отнесены дисперсные системы с достаточно высоким межфазовым натяжением.
Эти системы характеризуются большой межфазовой свободной энергией, поэтому граница раздела фаз выражена резко: система является агрегативно неустойчивой и требует введения стабилизатора. Дисперсность таких систем является произвольной.
Лиофильные системы – это двухфазные коллоидные системы с низкой, хотя и положительной межфазовой свободной энергией, меньшей или равной граничному значению.
Это системы с очень малой межфазовой энергией, они термодинамически устойчивы и образуются самопроизвольно. Дисперсность их вполне определенна и находится в коллоидной области.
Тот факт, что дисперсные системы классифицируются по величине свободной поверхностной энергии показывает, что коллоидные явления тесно связаны со свойствами поверхности раздела фаз.
Примеры лиофильных систем
К лиофильным системам относят:
1) так называемые критические эмульсии, образующиеся в результате снижения поверхностного натяжения при нагревании до температуры, близкой к температуре неограниченного смешения, или в результате прибавления очень больших количеств ПАВ;
2) ассоциативные коллоидные системы, образуемые в водной среде веществами типа мыл, некоторых красителей и дубителей, а в неводной среде некоторыми ПАВ. Такие вещества в разбавленных растворах находятся в молекулярном состоянии, при увеличении концентрации происходит агрегация молекул с образованием частиц коллоидного размера, т.е. образуются мицеллы. Концентрацию вещества в растворе, при которой происходит переход от истинного раствора к коллоидному, принято называть критической концентрацией мицеллообразования (ККМ).
**********************************************************************************************************************************
Лиофильность и лиофобность (от др.-греч. λύω — растворяю, φιλέω — люблю и φόβος — страх) — характеристики способности веществ или образуемых ими тел к межмолекулярному взаимодействию с жидкостями. Интенсивное взаимодействие, т. е. достаточно сильное взаимное притяжение молекул вещества (тела) и контактирующей с ним жидкости, характеризует лиофильность; слабое взаимодействие — лиофобность. В наиболее практически важном случае взаимодействия вещества с водой лиофильность и лиофобность называется гидрофильностью и гидрофобностью, а в случае масел и жиров — олеофильностью (липофильностью) и олеофобностью. Понятия «лиофильный» и «лиофобный» относят к высокомолекулярным соединениям или к поверхностям различных тел, в том числе находящихся в коллоидно-дисперсном состоянии. Эти термины используют также при описании отдельных атомных групп или участков (радикалов) одной молекулы вещества, по-разному взаимодействующих с молекулами растворителя.
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 2256; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!