Устойчивость дисперсных систем

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 10Следующая ⇒

Современная модель строения мицеллы учитывает тот факт, что противоионы располагаются в два слоя – плотный и диффузный, и что поверхностью скольжения частицы в растворе является граница между этими слоями

Наиболее важным электрокинетическим явлением, которое типично для дисперсных систем, является электрофорез, т. е. перемещение коллоидных частиц во внешнем электрическом поле.

Электрофорез и электроосмос – это электрокинетические явления I-го рода. К электрокинетическим явлениям II-го рода относятся потенциал протекания и потенциал седиментации, которые заключаются в возникновении разности потенциалов при перемещении частиц дисперсной фазы или дисперсионной среды.

Величина ζ-потенциала связана со скоростью электрофореза заряженных частиц уравнением Гельмгольца-Смолуховского:

где k – коэффициент, зависящий от формы частиц (для сфер k = 6, для цилиндров k = 4); v – линейная скорость перемещения частиц (или границы золя); ε – относительная диэлектрическая проницаемость; E – напряженность электрического поля.

В дисперсных системах удельная поверхность дисперсной фазы очень велика. Одно из наиболее важных следствий большой поверхности дисперсной фазы заключается в том, что лиофобные дисперсные системы обладают избыточной поверхностной энергией, а, следовательно, являются термодинамически неустойчивыми. Поэтому в дисперсных системах протекают различные самопроизвольные процессы, которые ведут к уменьшению избытка энергии. Наиболее общими являются процессы уменьшения удельной поверхности за счет укрупнения частиц. В итоге такие процессы приводят к разрушению системыТаким образом, ключевое свойство, которое характеризует само существование дисперсных систем – это их устойчивость, или, наоборот, неустойчивость.

Н.П. Песковым в 1920 г было предложено различать кинетическую и агрегативную устойчивости. В первом случае рассматривается выделение диспергированной фазы под действием силы тяжести в зависимости от степени дисперсности, а сама степень дисперсности полагается величиной, постоянной для данной системы. Во втором случае рассматриваются условия постоянства или непостоянства самой степени дисперсности частиц

Для большинства гидрофобных золей основным фактором, обеспечивающим их стабильность (наряду с гидратной оболочкой), является наличие одноименного заряда у частиц дисперсной фазы. Введение электролитов в гидрозоли может приводить к уменьшению или полной нейтрализации заряда коллоидных частиц, что ослабляет их электростатическое отталкивание, способствует сближению и агрегации

Минимальная концентрация электролита, которая вызывает начало процесса коагуляции называется порогом коагуляции g к (моль/дм3).

Температурный коэффициент поверхностного натяжения.

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ , стремление в-ва (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностную энергию). Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади пов-сти раздела фаз (размерность Дж/м2). Согласно др. определению, поверхностное натяжение-сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего пов-сть раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к пов-сти и препятствует ее самопроизвольному увеличению.

Поверхностное натяжение-осн. термодинамич. характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или др. жидкостью. Поверхностное натяжение разл. жидкостей на границе с собств. паром изменяется в широких пределах: от единиц для сжиженных низкокипящих газов до неск. тыс. мН/м для расплавл. тугоплавких в-в. Поверхностное натяжение зависит от т-ры. Для мн. однокомпо-нентных неассоциир. жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критич. т-ры хорошо выполняется линейная зависимость:

где s и s0-поверхностное натяжение при т-рах T и T0 соотв., a 0,1 мН/(м·К)-температурный коэффициент поверхностного натяжения. Осн. способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Поверхностное натяжение входит во мн. ур-ния физики, физ. и коллоидной химии, электрохимии. Оно определяет след. величины: 1) капиллярное давление , где r1 и r2 -главные радиусы кривизны пов-сти, и давление насыщ. пара рr над искривленной пов-стью жидкости: , где r-радиус кривизны пов-сти, R -газовая постоянная, Vn-молярный объем жидкости, p0- давление над плоской пов-стью (законы Лапласа и Кельвина, см. Капиллярные явления).

2) Краевой угол смачивания в контакте жидкости с пов-стью твердого тела: cos , где -уд. своб. поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и жидкостью, -поверхностное натяжение жидкости (закон Юнга, см. Смачивание).

3) Адсорбцию ПАВ где m-хим. потенциал адсорбируемого в-ва (ур-ние Гиббса, см. Адсорбция). Для разб. р-ров где с-молярная концентрация ПАВ.

4) Состояние адсорбц. слоя ПАВ на пов-сти жидкости: (ps + a/A2)·(A - b)= kT, где ps = (s0 — s) - двухмерное давление, s0 и <т-соответственно поверхностное натяжение чистой жидкости и той же жидкости при наличии адсорбц. слоя, а -постоянная (аналог постоянной Ван-дер-Ваальса), A-площадь поверхностного слоя, приходящаяся на одну адсорбир. молекулу, b -площадь, занимаемая 1 молекулой жидкости, k -постоянная Больцмана (ур-ние Фрумкина-Фольмера, см. Поверхностная активность).

5)Электрокапиллярный эффект: — ds/df = rs, где rs-плотность поверхностного заряда, f-потенциал электрода (ур-ние Липмана, см. Электрокапиллярные явления).

6) Работу образования критич. зародыша новой фазы Wc. Напр., при гомог. конденсации пара при давлении , где p0- давление пара над плоской поверхностью жидкости (ур-ние Гиббса, см. Зарождение новой фазы).

7) Длину l капиллярных волн на пов-сти жидкости: , где r-плотность жидкости, т-период колебаний, g-ускорение своб. падения.

8) Упругость жидких пленок со слоем ПАВ: модуль упругости , где s- площадь пленки (ур-ние Гиббса, см. Тонкие пленки).

Поверхностное натяжение измерено для мн. чистых в-в и смесей (р-ров, расплавов) в широком интервале т-р и составов. Поскольку поверхностное натяжение весьма чувствительно к наличию примесей, измерения разными методиками не всегда дают совпадающие значения. Осн. методы измерения следующие:

1) подъем смачивающих жидкостей в капиллярах. Высота подъема , где -разность плотностей жидкости и вытесняемого газа, r-радиус капилляра. Точность определения поверхностного натяжения растет с уменьшением отношения r/а (а-капиллярная постоянная жидкости).

2) Измерение макс. давления в газовом пузырьке (метод Ребиндера); расчет основан на ур-нии Лапласа. При выдавливании пузырька в жидкость через калиброванный капилляр радиусом г перед моментом отрыва давление

3) Метод взвешивания капель (сталагмометрия): (ур-ние Тейта), где G-общий вес n капель, оторвавшихся под действием силы тяжести от среза капиллярной трубки радиусом r. Для повышения точности правую часть умножают на поправочный коэф., зависящий от г и объема капли.

4) Метод уравновешивания пластины (метод Вильгельми). При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины , где G0- вес сухой пластины.

5) Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи). Для отрыва проволочного кольца радиусом R от пов-сти жидкости требуется сила

6) Метод сидящей капли. Профиль капли на несмачиваемой подложке определяется из условия постоянства суммы гидростатич. и капиллярного давлений. Дифференциальное ур-ние профиля капли решается численным интегрированием (метод Башфорта-Адамса). По измерениям геом. параметров профиля капли с помощью соответствующих таблиц находят поверхностное натяжение.

8) Метод вращающейся капли. Капля жидкости плотностью r1 помещается в трубку с более тяжелой (плотность r2) жидкостью. При вращении трубки с угловой скоростью w капля вытягивается вдоль оси, принимая приближенно форму цилиндра радиуса r. Расчетное ур-ние: . Метод применяют для измерения малых поверхностных натяжений на границе двух жидкостей.

Поверхностное натяжение является определяющим фактором мн. технол. процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесе-ния покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки и др. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости.

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й пол. 19 в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита мат. теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во 2-й пол. 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамич. теорию поверхностных явлений, в к-рой решающую роль играет поверхностное натяжение. В 20 в. разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П. А. Ребиндер, A. H. Фрумкнн). Среди совр. актуальных проблем-развитие мол. теории поверхностного натяжения разл. жидкостей (включая расплавл. металлы), влияние кривизны пов-сти на поверхностное натяжение.

Наиболее важной характеристикой поверхности является поверхностное натяжение. Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящийся на единицу межфазной поверхности. Единицы измерения поверхностного натяжения Существует несколько определений поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение - равно термодинамически обратимой изотермической работе по образованию единицы межфазной поверхности.

Поверхностное натяжение - это удельная свободная поверхностная энергия.

Поверхностное натяжение - численно равно силе, направленной тангенциально к поверхности и стремящейся сократить поверхность до минимальной величины, характерной для данного объема частички дисперсной фазы.

В соответствии с известным термодинамическим соотношением энтальпия поверхности (ее избыток) выражается уравнением: Н=G+TS (где G - изобарно-изотермический потенциал, или энергия Гиббса; Т - температура; S - энтропия (хаотичность)).

Аналогичным выражением характеризуется избыток внутренней энергии поверхности конденсированных систем: (где индекс s означает отнесение потенциалов к единице поверхности).

В соответствии со вторым началом термодинамики избыточная энтропия равна - теплота образования единицы поверхности (в обратимом процессе). Иногда qs называют скрытой теплотой образования поверхности. Она равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу, чтобы при постоянной температуре увеличить его поверхность на единицу площади.

Учитывая, что из приведенных уравнений получим следующее выражение: из которого следует, что внутренняя энергия поверхности складывается из энергии Гиббса и теплоты образования поверхности. Для индивидуальных веществ теплота qs всегда положительна, так как при образовании поверхности теплота поглощается. В результате внутренняя удельная поверхностная энергия (единицы поверхности) больше поверхностной энергии Гиббса на теплоту образования единицы поверхности. Поэтому ее обычно называют полной поверхностной энергией. Из уравнения при постоянстве давления имеем:

Подставляя это выражение в выражение для внутренней энергии поверхности, получим:

Это уравнение называется уравнением Гиббса - Гельмгольца. Оно связывает полную поверхностную энергию с энергией Гиббса (поверхностным натяжением). Из этого уравнения следует, что для определения полной поверхностной энергии необходимо знать зависимость поверхностного натяжения от температуры. Конкретную зависимость можно получить только экспериментально, однако качественные выводы можно сделать из приведенного уравнения. Как было уже указано, для индивидуальных веществ теплота всегда положительна, а это значит, что температурный коэффициент поверхностного натяжения отрицателен.

Таким образом, поверхностное натяжение индивидуальных веществ на границе с газом (воздухом) снижается с повышением температуры. Для большинства неполярных жидкостей эта зависимость линейная. Другие вещества менее строго следуют такой зависимости, но часто отклонениями можно пренебречь, так как температурные коэффициенты слабо зависят от температуры.

Для большинства жидкостей, особенно неполярных, полная поверхностная энергия также почти не зависит от температуры. Действительно, продифференцируем по температуре уравнение Гиббса - Гельмгольца:

Так как для неполярных жидкостей поверхностное натяжение линейно снижается с повышением температуры, и отсюда следует, что и производная полной поверхностной энергии по температуре тоже должна быть равна нулю: , а это означает независимость полной поверхностной энергии от температуры. При критической температуре исчезает межфазная поверхность, и соответственно снижаются до нуля ее энергетические характеристики (в том числе и поверхностное натяжение).

Поверхностное натяжение характеризует различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий граничащих фаз. Чем больше эти различия, тем больше поверхностное натяжение. При рассмотрении факторов, влияющих на величину поверхностного натяжения, следует, прежде всего, обратить внимание на оценку нескомпенсированности межмолекулярных сил на границе взаимодействующих фаз.

На величину поверхностного натяжения на границе двух фаз влияют температура - с увеличением температуры поверхностное натяжение всегда уменьшается и практически линейно для многих веществ; природа контактирующих фаз (чем больше межмолекулярные взаимодействия внутри фазы, тем больше ; чем сильнее взаимодействие между молекулами граничащих фаз, тем меньше нескомпенсированность сил, тем меньше ?); наличие посторонних веществ в фазе (более подробно этот фактор рассмотрен в теме 2).

Межмолекулярные силы притяжения могут иметь разный характер, например, они могут быть химическими, связанными с перекрыванием электронных орбиталей, водородными, возникающими между молекулами кислот, щелочей, воды и др. веществ, содержащих группу и, наконец, физическими, или Ван-дер-ваальсовыми, или молекулярными, которые возникают чаще всего при взаимодействии молекул разной природы.

Силы Ван-дер-Ваальса, в отличие от химических, не специфичны, действуют на больших расстояниях (свыше 1 нм), меньше по энергии связи.

В молекулярные силы входят:

1. ориентационные силы, действующие между полярными молекулами из-за взаимодействия диполей. Между ними возникает так называемое ориентационное кулоновское взаимодействие;

2. индукционные силы, действующие между молекулами разной полярности. Индукционное притяжение возникает между диполем полярной молекулы и наведенным диполем неполярной;

3. дисперсионные силы, действующие между всеми молекулами. Они возникают из-за непрерывного движения электронов в атомах, приводящего к образованию мгновенных диполей и их взаимодействию.

Энергия притяжения сильно зависит от расстояния между молекулами.

Методы определения поверхностного натяжения могут быть разделены на три группы: статические (методы капиллярного поднятия и лежачей или висящей капли), полустатические (методы максимального давления в пузырьке газа, отрыва кольца, пластинки Вильгельми, взвешивания или счета капель) и динамические (методы капиллярных волн, колеблющихся струй).

Статические методы основаны на изучении неподвижных менисков жидкости или формы капель и пузырьков. В этих случаях поверхность жидкости находится в равновесии с её объёмом и не изменяется в ходе измерений.

Динамические методы применяют, когда предполагается быстрое установление равновесия между поверхностным слоем и объёмом жидкости.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные статические и полустатические методы определения поверхностного натяжения:

1. Метод капиллярного поднятия

Разность давлений, возникающая по обе стороны от поверхности жидкости при её искривлении, называется капиллярным давлением. Если капилляр опустить в жидкость, то за счёт смачивания или несмачивания стенок капилляра образуется мениск, т.е. искривление поверхности жидкости, и возникает капиллярное давление. Под его влиянием граница жидкости перемещается до тех пор, пока не установится равновесие между гидростатическим давлением и капиллярным. При этом смачивающая жидкость поднимается, а несмачивающая опускается. Высота капиллярного поднятия Н зависит от поверхностного натяжения жидкости - измерив Н, можно рассчитать

2. Метод отрыва кольца от жидкости

Усилие Р, необходимое для отрыва проволочного кольца от поверхности жидкости, зависит от поверхностного натяжения жидкости, радиуса кольца и т.д. Измерив это усилие, например, с помощью торсионных весов, можно определить поверхностное натяжение.

3. Метод наибольшего давления в пузырьке основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр. При медленном продавливании пузырька из капилляра в жидкость в нем возникает избыточное внутреннее давление, которое определяется поверхностным натяжением жидкости и кривизной поверхности пузырька. В момент отрыва пузырька от кончика капилляра внутреннее давление максимально и пропорционально . Измеряют давление необходимое для выдавливания пузырька газа в жидкость с известным поверхностным натяжением (обычно воды), а затем Р исследуемой жидкости. Поверхностное натяжение жидкости рассчитывают из соотношения:

4. Метод взвешивания или счета капель (сталогмометрический) метод

Масса капли жидкости, вытекающей из капилляра, определяется интенсивностью сил поверхностного натяжения: чем больше , тем большую по размерам каплю они способны удерживать. По этой причине жидкости можно определить, измерив число капель жидкости, вытекающей из калиброванного объёма. Сосчитав сначала число капель жидкости с известным поверхностным натяжением и плотностью (обычно воды), а затем - число капель n исследуемой жидкости плотностью ?, вытекающей из того же объема, определяют искомое поверхностное натяжение исследуемой жидкости по уравнению:

Поверхностное натяжение индивидуальных веществ на границе с газом понижается с повышением температуры: dσ/dT < 0, причем температурный коэффициент dσ/dT имеет практически постоянное отрицательное значение вплоть до температур, близких к критической. При критической температуре исчезает различие между граничащими фазами, и поверхностное натяжение становится равным нулю. Для большинства неполярных жидкостей температурная зависимость поверхностного натяжения линейная и в первом приближении может быть представлена соотношением:

где σT и σ0 - поверхностное натяжение соответственно при температуре T и при стандартной температуре; ΔT - разность между данной и стандартной температурами; а - постоявшая, равная температурному коэффициенту поверхностного натяжения, взятому с обратным знаком.

Другие вещества менее строго следуют указанной зависимости, но часто отклонениями можно пренебречь, так как температурные коэффициенты dσ/dT мало зависят от температуры.

Модель Дюпре

[1] [2] [3] [4] [5]

[6]

Уравнение Дюпре — Юнга

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к навигации Перейти к поиску

Уравнение Дюпре — Юнга — уравнение, характеризующее связь между работой адгезии и краевым углом смачивания.

Вид уравнения[править | править код]

Уравнение выглядит следующим образом:

W a = σ[7] 12 ( 1 + cos ⁡[8] θ[9] ) {\displaystyle {Wa=\sigma _{12}(1+\cos \theta )}}

где σ12 — поверхностное натяжение на границе раздела двух фаз (жидкость-газ), cosθ — краевой угол смачивания, Wa — обратимая работа адгезии.

Физический смысл[править | править код]

Наглядный пример смачивания жидкостью твёрдой поверхности. А — краевой угол много больше 90° и как следствие плохое смачивание (капля имеет почти шарообразную форму и слабое взаимодействие с твёрдой поверхностью), В и С — краевой угол меньше θ<90°, капли жидкости приобретают менискообразную форму (лучшее взаимодействие с твёрдой поверхностью), S —краевой угол θ=0°(по сути его нет) — полное смачивание, происходит растекание жидкости по твёрдой поверхности.

Уравнение Дюпре — Юнга позволяет вычислять работу адгезии жидкости к твёрдому телу, поскольку входящие в неё величины (θ и σЖГ) могут быть достаточно легко определены, в отличие от величин σТЖ и σТГ.

Примечания[править | править код]

[10] [11] [12] [13] [14]

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Уравнение_Дюпре_—_Юнга&oldid=98783796

Категории:

· Коллоидная химия

· Поверхностные явления

Навигация

Персональные инструменты

· Вы не представились системе

· Обсуждение

· Вклад

· Создать учётную запись

· Войти

Пространства имён

· Статья

· Обсуждение

Варианты

Просмотры

· Читать

· Править

· Править код

· История

Ещё

Поиск

Навигация

· Заглавная страница

· Рубрикация

· Указатель А — Я

· Избранные статьи

· Случайная статья

· Текущие события

Участие

· Сообщить об ошибке

· Сообщество

· Форум

· Свежие правки

· Новые страницы

· Справка

· Пожертвовать

Инструменты

· Ссылки сюда

· Связанные правки

· Служебные страницы

· Постоянная ссылка

· Сведения о странице

· Элемент Викиданных

· Цитировать страницу

Печать/экспорт

· Создать книгу

· Скачать как PDF

· Версия для печати

На других языках

· Français

Править ссылки

· Эта страница в последний раз была отредактирована 22 марта 2019 в 09:57.

· Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия. Подробнее см. Условия использования.
Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак некоммерческой организации Wikimedia Foundation, Inc.

· Политика конфиденциальности

· Описание Википедии

· Отказ от ответственности

· Свяжитесь с нами

· Разработчики

· Заявление о куки

· Мобильная версия

Вид уравнения

Уравнение выглядит следующим образом:

W a = σ 12 ( 1 + cos ⁡ θ )

Физический смысл

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 262; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!