МНОГОВАРИАНТНЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ
Контрольная работа №2
По коллоидной химии для студентов заочной формы обучения
ТЕМА 5. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
5.1. Ньютоновские и неньютоновские жидкие системы
Реология – это область коллоидной химии, занимающаяся изучением деформации дисперсных систем.
При условии ламинарного потока течение жидкостей подчиняется уравнению Ньютона:
, (5.1)
где Fтр – сила внутреннего трения, равная по абсолютной величине силе, вызывающей течение жидкости; m – коэффициент внутреннего трения или динамическая вязкость; Sтр – площадь трущихся слоев жидкости; dU/dх – градиент скорости (U-скорость, х-расстояние между слоями).
Уравнение Ньютона можно записать и следующим образом:
(5.2)
где Р – напряжение сдвига.
Для многих жидкостей и растворов вязкость, вычисленная по уравнению Ньютона, не зависит от напряжения сдвига. Такие жидкости называют ньютоновскими или нормальными.
Измерения вязкости растворов высокомолекулярных веществ, а также ряда коллоидных растворов, суспензий и эмульсий показали, что динамическая вязкость этих систем не является постоянной величиной, то есть она зависит от напряжения сдвига. В этих случаях вязкость, вычисленная по уравнению Ньютона, является чисто условной величиной и называется эффективной вязкостью. Жидкие системы, у которых вязкость зависит от напряжения сдвига, называют неньютоновскими или аномальными. Существует несколько причин аномального поведения неньютоновских дисперсных систем.
|
|
|
Во-первых, в растворах молекулы высокомолекулярных соединений при отсутствии течения могут располагаться хаотически. При течении происходит ориентация молекул вдоль потока. Иногда происходит деформация молекул, облегчающая движение жидкой системы. Ориентация и деформация молекул требуют дополнительного напряжения для течения системы.
Во-вторых, в дисперсных системах (концентрированные суспензии, эмульсии, коллоидные растворы) возможно существование определенной структуры. Течение становится возможным только после разрушения этой структуры, что тоже требует дополнительного напряжения.
Структура возникает за счет сил притяжения между частицами дисперсной фазы. В результате происходит фиксация пространственного положения частиц. При этом частицы теряют возможность свободно вращаться в потоке, что ведет к увеличению вязкости. При механическом воздействии структура разрушается с образованием отдельных частиц. Вязкость системы уменьшается.
|
|
|
Иногда при снятии механического воздействия структура восстанавливается вновь. Такое обратимое изотермическое разрушение и восстановление структуры называется тиксотропией.
Тиксотропные свойства глинистого раствора используются при турбинном способе бурения нефтяных скважин. Раствор, нагнетаемый по трубе в скважину под большим давлением, ведет себя как ньютоновская жидкость: частички глины не связаны друг с другом. Раствор вращает турбобур, а затем поднимается вдоль трубы вверх, закрепляя стенки скважины глинистыми частицами и вынося куски выбуренной породы. При остановке процесса бурения выбуренная порода начинает оседать и может оказаться причиной аварий, вызывая прихват инструмента. Тиксотропный глинистый раствор в этих случаях быстро твердеет, вязкость раствора возрастает, куски породы удерживаются во взвешенном состоянии. В момент возобновления работы турбобура раствор снова разжижается, так как происходит разрушение структуры.
5.2. Реологические кривые ньютоновских и ненюьтоновских систем
Графики зависимости между напряжением сдвига (Р-ось абсцисс) и градиентом скорости ( 
- ось ординат) называют кривыми течения или реологическими кривыми.
|
|
|
Для ньютоновских жидкостей график уравнения (3) в координатах 
является прямой линией, начинающейся в начале координат. Котангенс угла наклона этой прямой равен значению динамической вязкости m.
На рис. 5.1 показаны реологические кривые двух ньютоновских жидкостей.
 |
Рис. 5.1. Кривые течения двух ньютоновских жидкостей
m1= Ctg a; m2= Ctg b; m1 > m2.
 |
Так как углы наклона a и b реологических кривых (см. рис. 5.1) не изменяются с увеличением напряжения сдвига (Р), то динамические вязкости m1 и m2 остаются постоянными, то есть не зависят от напряжения сдвига (см. рис. 5.2).
Рис. 5.2. Зависимость динамической вязкости двух ньютоновских жидкостей
от напряжения сдвига (Р).
На рисунке 5.3 приведен общий вид кривой течения неньютоновской дисперсной системы. Полная реологическая кривая неньютоновской жидкости состоит из 3-х участков.
В области малых значений напряжений сдвига (Р) кривая имеет прямолинейный участок ОА. Жидкость в этих условиях течет как псевдоньютоновская; обладающая большой постоянной вязкостью mmax= Ctg a. Такое поведение системы объясняется тем, что при малых скоростях течения структура, разрушаемая приложенной нагрузкой, успевает
 |
восстанавливаться.
|
|
|
Рис. 5.3. Полная реологическая кривая неньютоновской системы.
Медленное течение с постоянной максимальной вязкостью без прогрессирующего разрушения структуры называется ползучестью.
Величина mmax характеризует вязкость неньютоновской жидкости при прохождении ее через резервуары больших объемов или очень широкие трубы, а также вязкость структурированных жидкостей в ваннах различных типов, в которых жидкость очень медленно перемешивается.
Для слабоструктурированных систем прямолинейный начальный участок кривой обычно небольшой, поэтому его практически невозможно обнаружить.
Для сильно структурированных систем область значений Р, при которых наблюдается ползучесть, может быть весьма значительной.
Если же вязкость на участке ОА оказывается очень высокой, то он практически сливается с осью абсцисс, и тогда полная реологическая кривая сводится к кривой пластического течения (см. рис. 5.4).
В точке А структура разрушается, и начинается второй участок реологической кривой (АВ), называемый участком пластического течения, которое подробнее рассматривается в следующем параграфе.
В точке В (рис. 5.3) структура системы полностью разрушена, поэтому участок ВС соответствует ньютоновскому течению с постоянной (минимальной) динамической вязкостью mmin = Ctg g. Последний участок ВС часто недостижим в режиме ламинарного течения из-за перехода к турбулентному течению.
5.3. Реология пластичных дисперсных систем
Пластичность является простейшим (в математическом отношении) проявлением неньютоновских свойств. Она проявляется в дисперсных и полимерных материалах.
Общее сопротивление деформированию таких систем (участок АВ) описывается законом Бингама-Шведова:
Р = Р0 + m* 
(3)
В этом случае система характеризуются двумя реологическими параметрами: Ро и m*. Величину Ро называют предельным напряжением сдвига (предел текучести). Величина m* называется пластической вязкостью, а жидкость- бингамовской или пластической.
На рис. 5.4 приведены реологические кривые идеальной бингамовской жидкости. Как видно из рисунка 5.4, пластическая вязкость равна котангенсу угла наклона реологической кривой: m* = Ctg b. Ньютоновская вязкость m бингамовской жидкости определяется как величина, равная отношению напряжения сдвига к градиенту скорости.
Тогда из уравнения (5.3):
m = Р / = m* + Р0 / (5.4):
Откуда следует, что ньютоновская вязкость m является величиной переменной.
Таким образом, поведение пластичного материала может быть описано или законом Ньютона, где m - переменная величина, или законом Шведова-Бингама с двумя постоянными Р0 и m*.
Тот и другой способы имеют свои преимущества. Первый удобен при сравнении свойств различных материалов, так как сравнивать можно величины, имеющие один и тот же физический смысл. Такой величиной является динамическая вязкость m (по Ньютону). Она учитывает все сопротивление, зависящее от скорости деформации. Пластическая вязкость учитывает только часть сопротивления.
 |
Рис. 5.4. Реологические кривые бингамовского материала.
1 - динамическая вязкость m; 2 - пластическая вязкость m*.
При Р < Ро система не течет и ведет себя как твердое тело. При Р > Ро система течет как жидкость с постоянной пластической вязкостью m*. Так как угол b не изменяется с возрастанием Р, то пластическая вязкость будет постоянной, то есть не зависит от напряжения сдвига. Ньютоновскую вязкость m можно найти по графику как котангенс угла наклона прямой, приведенной из начала координат до пересечения с реологической кривой при интересующем нас значении Р. Например, в точке А динамическая вязкость равна:
m = Ctg a.
Угол a увеличивается с возрастанием Р, поэтому динамическая вязкость уменьшается с увеличением напряжения сдвига.
Реальные пластичные материалы имеют более сложную зависимость 
от Р. В начальном интервале напряжений (до Р0) имеется небольшой участок (Рс- Р0), на котором скорость сдвига увеличивается не линейно, а затем при Р >Р0 выполняется закон пластического течения. Величина Р0 называется в этом случае предельным динамическим напряжением сдвига, а Рс - предельным статическим напряжением сдвига.
5.4. Решение типовых задач
Имеются две жидкие агрегативно устойчивые дисперсные системы А и В. Выполните следующие упражнения.
1). По данным, приведенным в таблице 5.1, для каждой системы постройте реологические кривые: зависимость dU/dх от P.
2). Вычислите для каждой системы изменение динамической вязкости с увеличением напряжения сдвига. Определите, какая из систем является ньютоновской, какая неньютоновской
3). Для неньютоновской системы определите предельное напряжение сдвига и вычислите пластическую вязкость.
4). Постройте график зависимости динамической и пластической вязкости неньютоновской системы от напряжения сдвига.
ТАБЛИЦА 5.1. Зависимость градиента скорости течения (dU/dх) дисперсных систем от напряжения сдвига ( Р )
| Напряжение сдвига Р, кПа | Градиент скорости (dU/dх)*10-3,с-1 | |
| А | В | |
| 3,00 | 610 | 10,1 |
| 4,00 | 790 | 19,9 |
| 5,00 | 1015 | 30,0 |
| 6,00 | 1195 | 40,2 |
| 7,00 | 1400 | 49,8 |
 |
Решение. Реологические кривые, построенные по данным таблицы 5.1, показаны на рисунках 5.5 и5.6.
Рис. 5.5. Кривая течения дисперсной системы А.
 |
Рис. 5.6. Кривая течения дисперсной системы В.
Из рисунка 5.5 видно, что реологическая кривая системы А является прямой линией, проходящей через начало координат. Из уравнения (5.2) следует, что динамическая вязкость равна µ = Р / (dU/dх), то есть равна котангенсу угла наклона прямой µ = Ctg a. Так как угол a не изменяется с увеличением напряжения сдвига Р, то динамическая вязкость остается постоянной, то есть не зависит от напряжения сдвига. Этот вывод подтверждается и непосредственными вычислениями динамической вязкости при различных напряжениях сдвига. Результаты вычислений, приведённые в таблице 5.2, показывают, что величина динамической вязкости остаётся постоянной в пределах ошибки эксперимента. Таким образом, дисперсная система А относится к ньютоновским системам. Течение системы А подчиняется следующему уравнению: 
= 4,99*10-3 
.
Таблица 5.2. Зависимость динамической вязкости дисперсных систем
от напряжения сдвига
| Напряжение сдвига Р, кПа | Динамическая вязкость системы А, m*103, Па´с | Динамическая вязкость системы В, m, Па´с | Пластическая вязкость системы В, m*, Па´с |
| 3,00 | 4,92 | 0,297 | 0,099 |
| 4,00 | 5,06 | 0,201 | 0,101 |
| 5,00 | 4,93 | 0,167 | 0,100 |
| 6,00 | 5,02 | 0,149 | 0,100 |
| 7,00 | 5,00 | 0,141 | 0,100 |
| Среднее значение | 4,99 | 0,100 |
Из таблицы 5.2 видно, что динамическая вязкость системы В уменьшается с возрастанием напряжения сдвига, поэтому данная дисперсная система относится к неньютоновским (аномальным). Реологическая кривая системы В является прямой линией, которая проходит через точку Ро = 2,00 кПа на оси напряжений сдвига. Пластическая вязкость системы В равна котангенсу угла наклона реологической кривой:
m* = Ctg b = (Р – Ро)/ = 0,100 Па*с.
Таким образом, течение системы В характеризуется двумя реологическими параметрами: предельным напряжением сдвига Ро = 2,00 кПа и пластической вязкостью m*=0,100 Па*с. Уравнение Бингама – Шведова для системы В имеет вид:
Р = Р0 + m* = 2,00*103 +0,100 .
 |
Графики зависимости динамической и пластической вязкостей от напряжения сдвига показаны на рисунке 5.7.
Рис. 5.7. Зависимость динамической (1) и пластической (2) вязкости дисперсной системы В от напряжения сдвига
МНОГОВАРИАНТНЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ
.
РЕОЛОГИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Имеются две жидкие агрегативно устойчивые дисперсные системы А и В. Выполните следующие упражнения.
1). По данным, приведенным в таблице 5.3 для каждой системы постройте реологические кривые: зависимость dU/dх от P.
2). Вычислите для каждой системы изменение динамической вязкости с увеличением напряжения сдвига. Определите, какая из систем является ньютоновской, какая неньютоновской
3). Для неньютоновской системы определите предельное напряжение сдвига и вычислите пластическую вязкость.
4). Постройте график зависимости динамической и пластической вязкости неньютоновской системы от напряжения сдвига.
ТАБЛИЦА 5.3. Зависимость градиента скорости течения (dU/dх) дисперсных систем от напряжения сдвига ( Р )
|
Вариант | Напряжение сдвига Р, кПа | Градиент скорости (dU/dх)*10-3,с-1 | |
| А | В | ||
| 1 | 1,50 2,00 3,00 4,00 5,00 | 750 1025 1475 2025 2500 | 13,3 21,7 38,3 55,0 71,7 |
| 2 | 1,50 2,00 3,00 4,00 5,00 | 11,7 20,2 36,6 53,3 70,1 | 605 795 1250 1550 2050 |
| 3 | 1,50 2,50 3,50 4,50 5,00 | 500 835 1165 1505 1670 | 10,0 24,3 38,5 52,9 60.0 |
ТАБЛИЦА 5.3. (продолжение). Зависимость градиента скорости течения (dU/dх) дисперсных систем от напряжения сдвига ( Р )
|
Вариант | Напряжение сдвига Р, кПа | Градиент скорости (dU/dх)*10-3,с-1 | |
| А | В | ||
| 4 | 1,50 2,50 3,50 4,50 5,00 | 8.57 22,9 37,1 51,4 58,6 | 430 705 1005 1290 1425 |
| 5 | 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 | 500 760 990 1260 1490 | 13,8 26,2 38,8 51,2 63,8 |
| 6 | 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 | 440 675 885 1115 1325 | 12,5 25,5 37,0 50,5 62,0 |
| 7 | 2,,50 3,50 4,50 5,50 6,50 | 16,7 27,7 38,9 50,0 61,1 | 500 710 890 1110 1290 |
| 8 | 2,50 3,50 4,50 5,50 6,50 | 15,5 26,7 37,7 48,9 60,0 | 450 650 810 1010 1170 |
| 9 | 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 | 500 680 820 1010 1180 | 19,0 29,1 38,9 49,1 58,9 |
ТАБЛИЦА 5.3. (продолжение). Зависимость градиента скорости течения (dU/dх) дисперсных систем от напряжения сдвига (Р)
|
Вариант | Напряжение сдвига Р, кПа | Градиент скорости (dU/dх)*10-3,с-1 | |
| А | В | ||
| 10 | 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 | 18,0 28,1 37,9 48,1 57,9 | 460 615 775 915 1085 |
| 11 | 3,50 4,50 5,50 6,50 7,50 | 500 645 785 935 1065 | 20,9 30,1 39,1 48,2 57,3 |
| 12 | 3,50 4,50 5,50 6,50 7,50 | 20,0 29,1 38,2 47,3 56,3 | 440 565 685 815 935 |
| 13 | 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 | 440 565 665 785 885 | 21,7 29,5 38,8 46,5 55,0 |
| 14 | 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 | 20,8 29,2 37,5 45,8 54,2 | 410 530 610 730 810 |
| 15 | 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 | 375 458 542 625 708 | 23,1 30,7 38,5 46,1 53,9 |
ТАБЛИЦА 5.3.(окончание). Зависимость градиента скорости течения (dU/dх) дисперсных систем от напряжения сдвига (Р)
|
Вариант | Напряжение сдвига Р, кПа | Градиент скорости (dU/dх)*10-3,с-1 | |
| А | В | ||
| 16 | 4,50 5,50 6,50 7,50 8,50 | 321 393 464 536 607 | 22,3 30,0 37,7 45,4 53,1 |
| 17 | 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 | 24,3 31,4 38,6 45,7 52,8 | 330 400 470 530 600 |
| 18 | 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 | 310 380 445 510 575 | 23,6 30,7 37,9 45,0 52,1 |
| 19 | 5,50 6,50 7,50 8,50 9,50 | 25,3 32,0 38,7 45,3 52,0 | 324 382 441 500 559 |
| 20 | 5,50 6,50 7,50 8,50 9,50 | 306 361 417 472 528 | 23,1 29,4 35,6 41,8 48,1 |
ТЕМА 6. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
6.1. Явление смачивания
Смачивание - это поверхностное явление, происходящее при взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом. Явление смачивания всегда связано с тремя граничащими фазами: твердым телом, жидкостью и газом или второй жидкостью, не смешивающейся с первой.
Если каплю жидкости нанести на поверхность твердого тела или на поверхность другой жидкости, имеющей большую плотность, то можно наблюдать три случая.
В первом случае капля растекается по поверхности неограниченно.
В во втором случае жидкость растекается по поверхности ограниченно и после наступления равновесия принимает форму капли, показанную на рисунке 2.1а.
В третьем случае жидкость не растекается, а соберется в каплю, которая, если бы не действовала сила тяжести, имела бы почти сферическую форму (см. рис. 2.1б).
В первом и во втором случаях принято говорить, что жидкость смачивает поверхность; в третьем случае – не смачивает.
 |
Положение капли зависит от соотношения интенсивности межмолекулярных сил, действующих на поверхности раздела трех контактирующих фаз: твердой (Т), жидкой (Ж) и газообразной (Г). В качестве примера рассмотрим второй и третий случаи для системы «твердое тело - жидкость - газ» (см. рис. 2.1).
Рис.2.1. Растекание капли жидкости по поверхности твердого тела
а - жидкость смачивает твердое тело (sтг>sтж); б - жидкость не смачивает твердое тело (sтг<sтж)
Силы поверхностного натяжения на границе «твердое - газ» sтг стремятся растянуть каплю по поверхности твердого тела. Силы поверхностных натяжений на границах «твердое - жидкость» sтж и «жидкость - газ» sжг (см. рис. 2.1а) препятствуют растеканию.
Когда сумма векторов этих сил будет равна нулю, растекание прекращается, наступает равновесие, и капля жидкости принимает одну из форм, показанных на рисунке 2.1.
Условие равновесия сил может быть записано следующим образом
sтг = sтж + sжг соs q (2.1)
Откуда соs q = 
(2.2)
Соотношение (2.2) называется уравнением Юнга. Угол q (тэта) между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз называется краевым углом или углом смачивания. Поскольку этому определению удовлетворяют два угла, условились отсчитывать угол q в строну фазы, имеющей большую полярность. Например, в системе «твердое тело - жидкость - газ» краевой угол отсчитывают в сторону жидкости, которая полярнее газа (см. рис. 2.1), а в системе «твердое тело - вода - нефть» в сторону более полярной жидкости – воды (см. рис. 2.2).
Равновесный краевой угол q является абсолютной мерой смачивания: чем меньше q, тем лучше смачивание. Косинус краевого угла (соs q)показывает степень смачивания: чем больше соs q, тем больше степень смачивания. При q< 90°, то есть 0 < соs q <1, поверхность смачивается данной жидкостью. Если q = 0° , то соs q = 1наступает полное смачивание (степень смачивания 100%). При q > 90°, то есть соs q <0, поверхность не смачиваетсяжидкостью. Границей между смачиванием и не смачиванием является краевой угол q = 90° или соs q = 0 (степень смачивания 0 %). Случай полного не смачивания q = 180°никогда не наблюдается, так как невозможно такое состояние, когда между двумя соприкасающимися фазами отсутствует взаимодействие. К случаю неограниченного растекания уравнение (2.2) неприменимо, так как полное растекание не является равновесным состоянием, краевой угол не существует.
6.2. Влияние на смачивание природы жидкости и твердого тела
Разные жидкости неодинаково смачивают одну и туже поверхность. Из уравнения (2.2) следуют два основных вывода.
Во-первых, соs q тем больше (q - меньше), чем меньше поверхностное натяжение на границе «твердое - жидкость» sтж. Иначе говоря, лучше смачивает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к твердому телу.
Во-вторых, соs q тем больше, чем меньше поверхностное натяжение на границе «жидкость - газ» sжг. Поэтому жидкости с небольшим поверхностным натяжением sжг = 20-30 мДж/м2 (большинство жидких органических соединений: углеводороды, органические кислоты, спирты, эфиры) смачивают практически любую поверхность.
Наоборот, ртуть, имеющая очень большое поверхностное натяжение (sжг = 470 мДж/м2), как правило, не смачивает твердые поверхности, за исключением некоторых металлов.
Вода в атмосфере воздуха (sжг = 73 мДж/м2) смачивает многие твердые поверхности. В то же время степень смачивания зависит от природы поверхности. Вода хорошо смачивает твердые вещества с ионной или сильно полярной структурой: ионные кристаллы, оксиды и гидроксиды металлов, кварц (песок), силикаты (стекло), алюмосиликаты (глина), сульфаты, карбонаты (малахит, кальцит, мел, мрамор, известняк), слюду. Краевой угол в таких случаях обычно не превышает 45°, а степень смачивания поверхности более 70 % (соs q>0,7).Например, смачиваемость водой кварца характеризуется краевым углом
q = 0°, малахита – q° = 17° [3]. Из органических веществ гидрофильную поверхность имеет целлюлоза, что объясняется присутствием в её молекуле достаточного числа полярных групп.
Между веществом с ионной структурой и водой возникает ион - дипольное взаимодействие, которое сильнее диполь - дипольного взаимодействия между молекулами воды. Поверхности таких твердых веществ иногда называют гидрофильными.
Вещества с молекулярной (атомной) структурой плохо смачиваются водой. К таким веществам относятся твёрдые углеводороды, парафин, сера, сульфиды металлов (пирит, галенит), сажа, графит, органические полимеры (полиэтилен, тефлон). В этих случаях молекулярно-дипольное взаимодействие между молекулами поверхности и молекулами воды слабее диполь-дипольного взаимодействия между молекулами воды. Такие поверхности называют гидрофобными. Краевой угол в этих случаях больше 45°,степень смачивания меньше 70%. Например, краевые углы воды на твёрдой поверхности равны: графит q = 60°, талькq = 69°, сера q = 78° [3]. При очень слабом взаимодействии воды с молекулами твердого тела краевой угол становится больше 90°. Например, для парафина q = 106°, тефлона q = 108°. Вода не смачивает гидрофобные поверхности этих веществ.
Более строгое определение гидрофильной и гидрофобной поверхностей связано с явлением смачивания, когда вместо воздуха взята другая жидкость, не смешивающаяся с первой. Из двух жидкостей смачивать поверхность будет та, значение полярности которой будет ближе к полярности твердого тела. В этом случае говорят, что она обладает большим избирательным смачиванием по отношению к данной поверхности.
Для сравнительной оценки смачиваемости обычно сопоставление проводят по сравнению с водой. Если между водой и неполярной жидкостью, нанесенными на поверхность твердого тела, краевой угол меньше 90° со стороны воды, то поверхность называют гидрофильной или олеофобной. Если же краевой угол больше 90°, то поверхность будет гидрофобной или олеофильной (см. рис. 2.2).
 |
Рис.2.2. Угол смачивания в системе «нефть – вода – горная порода»
а) вода смачивает породу q< 90°,sтн > sтв; твердая поверхность гидрофильна (олеофобна); б) вода не смачивает породу q> 90°, sтн < sтв; твердая поверхность гидрофобна (олеофильна).
Таким образом, величина краевого угла зависит от природы среды, в которой происходит смачивание. Например, в атмосфере воздуха вода образует на поверхности графита острый угол (q = 60°), а при избирательном смачивании графита в присутствии неполярной жидкости краевой угол будет больше 90°. Поэтому определять гидрофильность или гидрофобность поверхности только в зависимости от того, какой краевой угол образует с поверхностью вода, соответственно острый или тупой, неправильно. Необходимо всегда учитывать природу твёрдой поверхности и среды, в которой происходит смачивание.
Следует также иметь в виду, что рассмотренные закономерности смачивания выполняются только на идеально гладких и однородных поверхностях. На поверхности реальных твёрдых тел обязательно имеются шероховатости, неоднородности, поры, трещины, загрязнения, от которых зависит краевой угол.
6.3. Понятие о когезии и адгезии
Силы притяжения, действующие между молекулами внутри одной фазы, называются силами когезии. Эти силы определяют существование веществ в конденсированном состоянии, поэтому их называют еще силами слияния. Силы, действующие между молекулами, находящимися в разных фазах, называются силами адгезии (прилипания).
Работа, необходимая для разрыва однородной объемной фазы, называется работой когезии(Wk). Ее относят к единице площади разрыва, поэтому размерность работы когезии совпадает с размерностью поверхностного натяжения (Дж/м2).
При разрыве объемной фазы образуется поверхность в две единицы площади, поэтому работа когезии равна Wk = 2s (2.3)
где s - поверхностное натяжение на границе образовавшейся поверхности с воздухом или жидкостью (если разрыв происходит в жидкой среде). Полная работа против сил когезии (Аk), приходящаяся на всю площадь разрыва (S), равна
Аk = WkS = 2sS (2.4)
Работа разрыва сил адгезии, то есть двух контактирующих фаз, называется работой адгезии (Wa). Она тоже относится к единице площади поверхности разрыва.
При разрыве двух контактирующих фаз общая поверхностная энергия увеличивается в результате образования двух новых поверхностей и уменьшается за счет исчезновения исходной межфазной поверхности. Например, при отделении в воздухе капли жидкости от поверхности твердого тела образуются две новых поверхности: «жидкость – газ» и «твердое – газ». При этом исчезает поверхность раздела «твердое – жидкость». По закону сохранения энергии работа адгезии равна (уравнение Дюпре)
Wa = sжг + sтг – sтж (2.5)
При отделении капли нефти от поверхности твердого тела в водной среде (см. рис.2.5) образуются новые поверхности «нефть – вода» и «вода – твердое», и исчезает поверхность «нефть – твердое». Поэтому работа адгезии будет равна
Wa = sнефть-вода + sтв-вода – sтв-нефть (2.6)
6.4. Связь смачивания и растекания с когезией и адгезией
В связи с отсутствием точных значений поверхностного натяжения на границах «твердое – газ» и «твердое – жидкость» (sтг и sтж) вычислить работу адгезии по уравнению (2.5) обычно нельзя. Задача упрощается после подстановки уравнения (2.1) в уравнение (2.5). При этом получается уравнение Дюпре – Юнга
Wa = sжг(1 + соs 
) (2.7)
используя которое, можно вычислить работу адгезии по экспериментально измеренным значениям поверхностного натяжения sжг и краевого угла q.
Преобразуем уравнение (2.7) следующим образом:
соs q = (Wa / sжг ) – 1 (2.8)
Из уравнения (2.8) следует, что с увеличением адгезии соs возрастает, то есть уменьшается краевой угол q, увеличивается смачивание. Таким образом, адгезионные силы (силы межфазного притяжения) способствуют смачиванию.
Силы когезии, пропорциональные sжг, препятствуют растеканию жидкости. Разность работ адгезии и когезии
a = Wa – Wк (2.9)
называют коэффициентом растекания.
При a < 0 жидкость растекается по поверхности твердого тела или другой жидкости лишь частично. При этом возможны два случая: жидкость смачивает поверхность (q< 90°), и жидкость не смачивает поверхность (q> 90°).
Если a > 0, то жидкость растекается по поверхности неограниченно. Такое состояние является неравновесным и к нему неприменимо уравнение Юнга (2.2).
6.5. Влияние поверхностно - активных веществ на смачивание
Смачивающая способность жидкостей определяется природой веществ, из которых состоят контактирующие поверхности. Если изменить состав поверхностных слоев, то изменяются межфазные поверхностные натяжения (sтн , sтв и sнв), а значит и степень смачивания поверхности. Для этих целей используют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз, изменяя состав поверхности и величину межфазных поверхностных натяжений. При этом влияние ПАВ на смачивание зависит от того, на какой поверхности они адсорбируются.
Если водный раствор ПАВ наносится на гидрофобную поверхность, не смачиваемую или плохо смачиваемую водой (например, на поверхность парафина, см. рисунок 2.3), то молекулы ПАВ могут адсорбироваться как на поверхности раздела «жидкость – газ», так и на границе «жидкость – твердое». При этом молекулы ПАВ располагаются на межфазной поверхности в соответствии с правилом уравнивания полярностей: полярная группа молекулы находится в полярной воде, неполярная группа направлена в сторону неполярной газовой фазы и твердого тела (парафина).
В результате адсорбции молекул ПАВ происходит уменьшение межфазных поверхностных натяжений sтв и sвг. И тогда в соответствии с уравнением Юнга (2.2) краевой угол уменьшается, то есть поверхность твердого тела смачивается раствором ПАВ лучше по сравнению с чистой водой. С увеличением в растворе концентрации ПАВ адсорбция молекул ПАВ возрастает. В результате поверхность твердого тела становится все менее и менее гидрофобной, происходит так называемая гидрофилизация поверхности.
При достаточной концентрации ПАВ может вообще произойти переход от не смачивания к смачиванию, то есть инверсия смачивания (см. рис. 2.3).
 |
Рис. 2.3. Влияние ПАВ на смачивание гидрофобного тела (гидрофилизация поверхности)
а) поверхность не смачивается водой (гидрофобная);
б) поверхность смачивается раствором ПАВ (гидрофильная)
Если поверхность гидрофильная (кварц, стекло, малахит), то вода хорошо смачивает её, и адсорбция ПАВ на ней, как правило, не происходит. В этом случае изменение значений краевого угла связано в основном с уменьшением поверхностного натяжения на границе «жидкость – газ» sжг. В соответствии с уравнением (2.2) и в этом случае смачиваемость возрастает. При некоторой концентрации ПАВ может наступить полная смачиваемость (q =0°), а затем и неограниченное растекание жидкости по поверхности твердого тела (a > 1).
 |
Гидрофильную поверхность можно превратить в гидрофобную, если обработать каким-либо ПАВ, нерастворимым в воде, например, органической жирной кислотой. Молекулы ПАВ адсорбируются на гидрофильной поверхности и образуют адсорбционный слой, в котором полярные группы молекул обращены к полярной поверхности, а неполярные углеводородные радикалы – в неполярный воздух. Если на такую поверхность нанести каплю воды, то она не будет её смачивать. Этот процесс называется гидрофобизацией поверхности, а ПАВ – гидрофобизатором (см. рис. 2.4).
Рис. 2.4. Гидрофобизация твердой поверхности
а – поверхность смачивается водой; б – поверхность не смачивается водой
6.6. Влияние ПАВ на когезию и адгезию
Поверхностно-активные вещества, адсорбируясь на поверхности раздела фаз, понижают межфазные поверхностные натяжения, и, следовательно, в соответствии с уравнениями (2.3) и (2.5) изменяют работу когезии и адгезии.
Понижение поверхностного натяжения на границе « твердое – газ» приводит к уменьшению работы когезии, то есть снижает затраты энергии на дробление, измельчение, сверление твердых тел. Это явление получило название адсорбционное понижение прочности твердых тел или эффект Ребиндера.
Оно применяется при обработке металлов резанием, тонком измельчении твёрдых тел, бурении горных пород и т.д. При использовании в качестве промывочных жидкостей специально подобранных растворов ПАВ скорость проходки скважин повышается на 20 – 60% и более.
Влияние ПАВ на работу адгезии несколько сложнее, так как она связана с тремя межфазными натяжениями. Рассмотрим работу адгезии, совершаемую при отрыве капли нефти, расположенной под водой на гидрофобной поверхности твердого тела (см. рис. 2.5).
 |
Рис. 2.5. Вытеснение нефти с поверхности горной породы
а) исходное состояние; твердая поверхность гидрофобная q>90°;
б) промежуточное состояние; гидрофилизация поверхности q<90°;
в) полный отрыв нефти от породы
Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности «нефть – вода», уменьшая поверхностное натяжение sнв. В результате уменьшается краевой угол q. Кроме того, молекулы ПАВ могут адсорбироваться и на поверхности породы, что тоже способствует гидрофилизации поверхности породы.
При некоторой концентрации ПАВ нефть собирается в каплю (рис. 2.5 б), которую легко удалить с поверхности твердого тела даже незначительным механическим воздействием.
Самопроизвольный отрыв капли нефти от поверхности породы произойдет при условии, когда работа адгезии будет равна нулю или меньше нуля:
Wад = sнв + sтв - sтн£ 0 (2.10)
или sтн ³ sнв + sтв (2.11)
Выражение (2.11) носит название: условие моющего действия.
Величина
b = sтн - (sнв + sтв) (2.12)
называется коэффициентом моющего действия. Если b ³ 0, то жидкость отмывает «масло» (нефть) с поверхности твердого тела (породы). Если b < 0, то жидкость не отмывает «масло».
Из условия (2.11) следует, что при отмывании загрязнения основной функцией ПАВ является максимальное уменьшение sнв и sтв при минимальном изменении sтн. Это достигается с помощью ПАВ, хорошо адсорбирующихся, как на поверхности раздела «нефть – вода», так и на поверхности «твердое – вода». Кроме того, уменьшение sнв увеличивает диспергируемость водонефтяной смеси, так как уменьшает работу когезии образования эмульсии нефти в воде.
ПАВ, используемые в качестве моющих средств, называются детергентами. Типичные детергенты, используемые в быту: мыла, стиральные порошки, шампуни. Как правило, хорошие детергенты – это анионактивные ПАВ, у которых в углеводородной цепи (R) содержится 10 – 18 атомов углерода, а полярная часть молекулы представлена остатком карбоновых кислот (мыла R-COONa) или сульфогруппой, например, алкилсульфаты (R-O-SO3Na) и алкилсульфонаты (R-SO3Na). К ним относятся стиральные порошки. Хорошими детергентами являются неионогенные поверхностно-активные вещества типа R-C6Н4O(CH2CH2О)mН – моноалкилфениловые эфиры полиэтиленгликоля (m до100).
Следует заметить, что по правилу уравнивания полярностей молекулы ПАВ адсорбируются на гидрофильной поверхности полярными группами к твердому телу и неполярными углеводородными радикалами в моющий раствор. Казалось бы, в этом случае должна происходить гидрофобизация поверхности, понижающая эффект моющего действия. Однако этого не происходит, так как в достаточно концентрированных растворах после первого адсорбционного слоя образуется второй слой, молекулы ПАВ которого ориентируются полярной группой в раствор. Таким образом, гидрофильность поверхности сохраняется.
6.7. Практическое значение поверхностных явлений
Нефтеносные коллекторы сложены осадочными породами, содержащими поры, каналы, трещины и каверны. Поэтому они имеют весьма большую удельную поверхность, которая может доходить до величины, имеющей порядок 105 м2 / м3. Вся эта поверхность твердой породы контактирует с нефтью, водой и газом. Поэтому на многие процессы, происходящие в пластах, большое влияние оказывают поверхностные явления. Понимание этих явлений необходимо для управления процессами вытеснения нефти из пласта, обработки призабойных зон скважин, промысловой подготовки нефти и т.д.
Понимание поверхностных явлений на границе раздела «нефть – вода» необходимо также для устранения причин образования стойких водонефтяных эмульсий и способов их разрушения в процессе подготовки нефти к переработке.
Смачивание имеет большое значение для успешного проведения ряда важнейших технологических процессов. Например, в процессах флотации – методе обогащения полезных ископаемых, в текстильной технологии (крашение, отбеливание, пропитка и т. д.).
Смачивание металлов и неметаллических тел соответствующими жидкостями облегчает их механическую обработку (резание, сверление, шлифовку, полировку).
6.8. Решение типовых задач
Задача 6.1. Смачивание и растекание жидкостей по воде.
Выясните, растекаются ли по воде жидкости: машинное масло и циклоалкан (алициклический углеводород). Плотность жидкостей меньше плотности воды. Если жидкости не растекаются по воде, то вычислите краевой угол смачивания.
Поверхностные натяжения на границе с воздухом: воды sв = 72,75 мДж/м2; масла sм = 32,6 мДж/м2; циклоалкана sца = 27,0 мДж/м2. Межфазные натяжения на границе с водой: масла sв-м = 29,3 мДж/м2; циклоалкана sв-ца = 52,0 мДж/м2. Взаимной растворимостью воды и жидкостей пренебречь.
Решение. Вычислим коэффициенты растекания по воде масла a1 и циклоалкана a2 по уравнению (2.9).
a1 = Wa – Wк = sв – (sм + sв-м) =72,75 – (32,6 + 29,3) = 10,9 мДж/м2 >0 - масло растекается по воде.
a2 = sв – (sца + sв-ца) = 72,75 – (27,0 + 52,0) = – 6,3 мДж/м2 < 0 - циклоалкан не растекается по воде. Вычислим краевой угол по уравнению (2.2).
Откуда q= 39,7° – циклоалкан смачивает поверхность воды.
Задача 6.2. Растекание воды по поверхности тяжелых жидкостей.
Выясните, растекается ли вода по жидкости – «маслу» (нитропроизводное ароматического углеводорода, плотность которого больше плотности воды). Если вода не растекается по «маслу», то вычислите краевой угол смачивания. Поверхностные натяжения на границе с воздухом: воды sв = 72,75 мДж/м2; «масла» sм = 45,0 мДж/м2; межфазное натяжение «масла» на границе с водой sв-м = 29,0 мДж/м2
Решение. Вычислим коэффициент растекания воды по «маслу».
a = sм – (sв + sв-м) = 45,0 – (72,75 + 29,0) = –56,8 мДж/м2 < 0 - вода не растекается по « маслу». Вычислим краевой угол по уравнению (2.2):
Откуда q= 77,3° - вода плохо смачивает поверхность нитропроизводного углеводорода.
Задача 6.3. Моющее действие воды: вытеснение "масла"(нефти) с поверхности твердого тела. Определите, можно ли отмыть водой каплю «масла» с поверхности твердого тела (песка). Межфазные поверхностные натяжения приведены в следующей таблице.
| Жидкость | Межфазное натяжение на границе с водой, мДж/м2 | Межфазное натяжение на границе с песком, мДж/м2 |
| Вода «Масло» | – sвм = 45,0 | sвт = 76,7 sмт = 39,0 |
Решение. Проверим, как выполняется условие моющего действия. Коэффициент моющего действия чистой воды равен (2.12):
b = sмт –(sвм + sвт) = 39,0 – (45,0 + 76,7) = – 82,7 мДж/м2 < 0 – вода не отмывает масло.
Определим положение капли «масла» на поверхности песка. Для этого вычислим коэффициент растекания «масла» по песку.
a = sвт – (sвм + sмт) = 76,7- (45,0 + 39,0) = – 7,3 мДж/м2 < 0 – масло не растекается по песку. Вычислим краевой угол.
Откуда q = 146,9° – поверхность твердого тела гидрофобная (олеофильная). Положение капли "масла" на поверхности песка для этого случая показано на рисунке 2.5а.
Задача 6.4. Моющее действие раствора ПАВ(1).
Определите, можно ли отмыть каплю «масла» с поверхности песка раствором ПАВ(1), если межфазное натяжение на границе «раствор ПАВ - песок» по сравнению с чистой водой уменьшилось в 2 раза, а на границе «раствор ПАВ - "масло"» уменьшилось в 3 раза. Межфазное натяжение на границе "масло" - песок» не изменилось.
Решение. Вычислим межфазные натяжения для раствора ПАВ(1).
| Жидкость | Межфазное натяжение на границе с раствором ПАВ(1), мДж/м2 | Межфазное натяжение на границе с песком, мДж/м2 |
| Раствор ПАВ(1) «Масло» | – sвм = 45,0 : 3 = 15,0 | sвт = 76,7 : 2 = 38,4 sмт = 39,0 |
Проверим, как выполняется условие моющего действия (2.12):
b = sмт –(sвм + sвт) = 39,0 – (15,0 + 38,4) = – 14, 4 мДж/м2 < 0 – первый раствор ПАВ не отмывает масло. Коэффициент растекания «масла» по песку для этого случая равен:
a2 = sвт – (sвм + sмт) = 38,4 – (15,0 + 39,0) = – 15.6 мДж/м2 < 0 – масло не растекается по песку. Вычислим краевой угол:
Откуда q = 87,5° - поверхность твердого тела стала гидрофильной (олеофобной). Положение капли "масла" на поверхности кремнезема для этого случая показано на рисунке 2.5 б.
Задача 2.5. Моющее действие раствора ПАВ(2).
Определите, можно ли отмыть каплю «масла» с поверхности песка раствором ПАВ(2), если межфазное натяжение на границе «раствор ПАВ - песок» по сравнению с чистой водой уменьшилось в 4 раза, а на границе «раствор ПАВ - "масло"» уменьшилось в 9 раз. Межфазное натяжение на границе "масло" - песок» не изменилось.
Решение. Вычислим межфазные натяжения для раствора ПАВ(2).
| Жидкость | Межфазное натяжение на границе с раствором ПАВ(2), мДж/м2 | Межфазное натяжение на границе с песком, мДж/м2 |
| Раствор ПАВ(2) «Масло» | - sвм = 45,0 : 9 = 5,0 | sвт = 76,7:4 = 19,2 sмт = 39,0 |
Проверим, как выполняется условие моющего действия (2.11):
b = sмт –(sвм + sвт) = 39,0 – (5,0 + 19,2) = 14,8 мДж/м2 > 0 – раствор ПАВ(2) отмывает масло с поверхности песка (см. рис. 2.5 в).
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1222; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!