Смачивание твёрдых поверхностей

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 11Следующая ⇒

Цель работы: определение краевого угла смачивания и равновесной работы адгезии. Изучение влияния адсорбции ПАВ на смачивание твердых поверхностей и на работу адгезии.

Краткое теоретическое введение

Адгезией называют взаимодействие разнородных конденсированных тел при их молекулярном контакте. К конденсированным телам относят жидкие и твердые тела. Адгезия обеспечивает соединение определенной прочности между двумя телами, обусловленное молекулярными силами. При адгезии сохраняется граница раздела фаз, образованная двумя твердыми телами или твердым телом и жидкостью, а также возможна адгезия двух жидкостей различной природы (в этом случае граница раздела фаз также сохраняется).

Адгезия относится к самопроизвольно протекающим поверхностным явлениям и обусловлена стремлением системы к уменьшению поверхностной энергии. В результате адгезии удельная свободная поверхностная энергия G уменьшается на величину работы разъединения тел в воздухе w:

w = – D G при T и p = const. (6.1)

Прочность адгезионной связи характеризуют работой обратимого разрыва межмолекулярных связей, отнесенной к единице площади межфазной поверхности. Эту величину называют работой адгезии и обозначают, обычно, той же буквой, что работу, w _A, хотя она имеет размерность энергия/площадь, единица СИ [Дж/м²].

Смачивание твердой поверхности жидкостью обусловлено адгезионным взаимодействием между ними. Различают иммерсионное и контактное смачивание. При контакте только двух фаз, например, когда твердое тело полностью погружено в жидкость, реализуется иммерсионное смачивание. Для возникновения контактного смачивания необходимо помимо жидкой и твердой наличие третьей фазы. Считается, что жидкость смачивает поверхность, если краевой угол смачивания q, отсчитанный в сторону жидкости (рис.6.1 а), меньше 90°. Говорят, что жидкость не смачивает поверхность (рис.6.1 б), если краевой угол q > 90° Степень смачивания (или не смачивания) зависит от интенсивности взаимодействия молекул жидкости с поверхностью твердого тела по сравнению с межмолекулярным взаимодействием в объёме жидкости. Чем сильнее взаимодействуют молекулы жидкости с твердой поверхностью, тем в большей степени жидкость растекается по поверхности, смачивая ее.

Для вычисления соотношения между работой адгезии и поверхностным натяжением представим взаимно нерастворимые жидкость и твердое тело, имеющие поверхности на границе с воздухом, равные единице площади. При контакте этих поверхностей происходит адгезия, но система остаётся трёхфазной, и возникает поверхностное натяжение, равное s _тж. Энергия Гиббса системы уменьшается на величину, равную работе адгезии, то есть

D G = [ s _тж - (s _тг + s _жг)] S,

где S – площадь контактирующих поверхностей. С учетом (6.1) и определения работы адгезии w _A, получаем уравнение Дюпре

w _A = w / S = D G / S = s _жг + (s _тг - s _тж).(6.2)

Это уравнение отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из уравнения Дюпре следует, что работа адгезии тем больше, чем меньше поверхностное натяжение исходных компонентов, и тем меньше, чем больше межфазное натяжение s _тж. Межмолекулярные взаимодействия внутри фазы называется когезией. В случае нарушения когезионной целостности жидкости в воздушной среде работа когезии равна w _к = s _жг.

Работу адгезии можно определить, зная количественную характеристику смачивания, а именно краевой угол смачивания q. Рассмотрим положение капли жидкости на твердой поверхности (рис. 6.2). В каждой точке линии смачивания (то есть окружности капли) имеется контакт трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Разграничивающие их поверхности твердое тело - жидкость, твердое тело - газ и жидкость - газ имеют соответственно межфазное поверхностное натяжение s _тж, s _тг и s _жг.

С другой стороны, поверхностное натяжение можно представить как силу, действующую на единицу длины линии, вдоль которой соприкасаются три фазы. Вектор силы поверхностного натяжения s _тг направлен таким образом, чтобы уменьшить поверхность раздела твердой и газообразной фаз, то есть растянуть каплю; вектор межфазного натяжения s _тж действует в противоположном направлении и стремится сократить площадь контакта жидкость - твердое тело; вектор поверхностного натяжения s _жг направлен так, чтобы придать капле форму, отвечающую минимальной площади поверхности раздела фаз. Таким образом, в любой точке линии смачивания действуют три силы s _тж, s _тг и s _жг (рис.6.2), направленные нормально к линии смачивания и тангенциально к соответствующей поверхности раздела фаз. В состоянии равновесия соотношение этих сил выражается уравнением Юнга:

s _тж = s _тг + s _жг×cos q,

или

s _тж - s _тг = s _жг×cos q, (6.3)

где q - краевой угол смачивания, отсчитываемый в сторону жидкости. Подставив значение (s _тж - s _тг) из уравнения (6.3) в уравнение (6.2), получим выражение, называемое уравнением Дюпре - Юнга для работы равновесной адгезии

w _A = s _жг(1 + cos q) (6.4)

или

Следовательно, чем больше разность между работой адгезии и работой когезии или между работой адгезии и поверхностным натяжением s _жг, тем лучше жидкость смачивает поверхность. Так углеводороды, поверхностное натяжение которых на границе с воздухом составляет (17 - 25)×10^-3 Дж/м², смачивают практически любые твердые поверхности. Вода, поверхностное натяжение которой на границе с воздухом составляет 72,75 ×10^-3 Дж/м² (при 20°С), хорошо смачивает стекло, кварц, карбонаты, сульфаты, многие силикаты. Некоторые твердые вещества, в частности графит и тальк, смачиваются на границе с воздухом (q < 90°) как неполярными жидкостями, так и водой. При конкурентном смачивании поверхности водой в присутствии жидкого углеводорода, если вода образует острый краевой угол с твердой поверхностью (q < 90°), то поверхность называют гидрофильной или олеофобной, если неполярная жидкость вытесняет воду с поверхности и для воды краевой угол q >90°, то поверхность называют гидрофобной или олеофильной.

Чтобы изменить природу твердой поверхности (модифицировать поверхность), то есть превратить гидрофобную поверхность в гидрофильную, или наоборот, надо создать на поверхности адсорбционный слой, что может быть достигнуто, в частности, нанесением на поверхность различных веществ или их растворов. Например, добавление ПАВ в воду, нанесенную на гидрофобную поверхность, приведет к образованию на твердой поверхности адсорбционного слоя дифильных молекул ПАВ, ориентированных углеводородными радикалами к твердой поверхности, а полярные группы будут направлены в сторону водного раствора и произойдет обращение угла смачивания или инверсия смачивания.

Надежное модифицирование (гидрофилизация или гидрофобизация) различных поверхностей является важной проблемой для многих отраслей промышленности, в частности для хлебопекарной и кондитерской актуальна задача уменьшения адгезии теста и кондитерских изделий к поверхностям технологического оборудования.

Приборы и методы измерений

Критерий смачивания можно определить прямыми измерениями краевого угла q. Для этого пластинку изучаемого материала погружают в кювету с жидкостью. К плоской поверхности твердого вещества подводят пузырек воз духа. Освещая кювету с жидкостью проекционным фонарем, проецируют изображение пузырька на экран. В данной работе для определения краевых углов используют другой метод. В проекционный фонарь 1 (рис. 6.3) между источником света 2 и объективом 4 помещают испытуемый образец 3. На поверхность образца с помощью шприца наносят каплю жидкости. Изображение капли проецируют на экран 6. (На рис. 6.3 слева изображен экран 6 перпендикулярно к плоскости рисунка, и справа – в плоскости рисунка с перевернутым изображением капли 5.) Увеличенное изображение капли 5 позволяет с достаточной точностью измерить краевой угол смачивания. Точность измерения зависит от величины угла q. Она максимальна при краевых углах, приближающихся к 90°.

Следует добавить, что измерения могут быть геометрически точными, но неправильными. Правильное измерение затруднено, прежде всего, возможным загрязнением поверхности. Присутствие даже следовых количеств постороннего вещества может значительно исказить результат измерения. При нанесении капли, размер которой превышает З мм, капля деформируется под действием силы тяжести и это влияет на результат измерения. Кроме того, на поверхности твердого тела всегда адсорбируется воздух, для его вытеснения и установления равновесного краевого угла требуется некоторое время. Процесс испарения капли также может сказаться на результате измерения.

Последовательность выполнения работы

1. Определение краевого утла смачивания поверхности фторопласта водой:

1) промыть поверхности образцов водопроводной водой, сполоснуть дистиллированной, затем протереть (осушить) фильтровальной бумагой, осторожно держа их за торцы;

2) с помощью чистого шприца нанести капельку воды на поверхность образца фторопласта;

3) поместить образец в проекционный фонарь;

4) включить проекционный фонарь и, перемещая образец перед источником света, отрегулировать четкое перевернутое изображение капли на экране;

5) остро отточенным карандашом очертить на бумаге, наложенной на экран, контур капли и линию поверхности образца;

6) удалить каплю фильтровальной бумагой, нанести новую каплю и повторить измерение утла смачивания.

2. Изучение влияния концентрации водных растворов ПАВ на смачивание поверхности фторопласта:

1) в работе используются растворы олеата натрия тех же концентраций, что и в работе 5;

2) последовательно, на образец фторопласта наносить капли растворов ПАВ указанных концентраций, начиная с наименьшей, каждый раз замеряя угол смачивания поверхности, как в первой части работы. Перед нанесением каждой следующей капли поверхность образца следует осушить фильтровальной бумагой;

3) тщательно промыть шприц.

3. Повторить пункт 1 для образцов металла и стекла.

Обработка и оформление результатов

1. Полученные результаты занести в таблицу 6.1.

2. По средним значениям угла смачивания q определить cos q и рассчитать по формуле 6.4 работу адгезии w _a. Значения поверхностного натяжения s _жг для соответствующих растворов взять из работы 5.

3. На миллиметровой бумаге построить кривые зависимости угла смачивания q от концентрации растворов ПАВ и кривые зависимости работы адгезии w _a от концентрации растворов ПАВ для изучаемых твердых материалов.

4. Сделать выводы о характере смачивания поверхности каждого из материалов водой и о влиянии ПАВ на смачивание.

Таблица 6.1

Исследуемый материал	Концентрация раствора ПАВ, г/л	Угол смачивания	cos q	w _a, Дж/м²
Измерение 1	Измерение 2	Среднее значение
стекло	0 (вода)
металл	0 (вода)
фторопласт	0 (вода)
	0,01
	0,02
	0,05
	0,1
	0,3
	0,5
	1,0

Контрольные вопросы

1. Адгезия, когезия.

2. Равновесная работа адгезии, уравнение Дюпре.

3. Иммерсионное и контактное смачивание, краевой угол.

4. Уравнение Юнга, уравнение Дюпре - Юнга.

5. Методы определения краевого угла.

6. Какие факторы могут повлиять на правильность измерения краевого угла?

7. Гидрофильные и гидрофобные поверхности; изобразите адсорбцию ПАВ из растворов на таких поверхностях.

Литература

Зимон А.В., Балакирев А.А., Дехтяренко Н.Г., Бабак В.Г., Аксёнов В.Н. Коллоидная химия. Лабораторный практикум. Часть 1. М: ВЗИПП 1986, Лаб. работа 6.

Зимон А.Д. Коллоидная химия. М: Агар, 2007.

Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М: Химия, 1975, Глава 6.

РАБОТА № 7

Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 39; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!