Что называют адгезией и смачиванием какие параметры используют для их количественной характеристики

Адгезия и смачивание

Адгезия (прилипание, сцепление, слипание) – поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз.

Возможны три случая адгезии: адгезия между двумя жидкостями (ж-ж), между жидкостью и твердым телом (т-ж), между твердыми телами (т-т).

С адгезией сталкиваемся повсеместно: при покрытии различных поверхностей лаком и краской, склеивании материалов и т.д.

Адгезия бывает положительной (полезной) и отрицательной.

Хорошая адгезия лакокрасочных покрытий определяет эксплуатационные и потребительские качества этих покрытий. Эффективность инсектицидных препаратов, применяемых для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, во многом определяется адгезией капель или частиц этих препаратов к листьям растений. Здесь адгезия играет положительную роль.

В пищевой промышленности отрицательная адгезия связана с прилипанием пищевых масс (тесто, сгущенное молоко, сметана и т.п.) к стенкам оборудования, что обусловливает производственные потери.

Еще одно отрицательное проявление адгезии – аутогезия (комкование). Например, аутогезия частиц сухого молока, кофе.

Количественно адгезию характеризуют величиной работы адгезии A_адг, т.е. работой, затраченной на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы.

Субстрат (подложка) 2 – поверхность, на которую наносится вещество, наносимое вещество – адгезив 3.

Субстрат и адгезив находятся в воздухе 1(рис. 5).

Пусть s₂₁ и s₃₁ –поверхностное натяжение субстрата и адгезива на границе с воздухом соответственно.

где S– площадь поверхности.

Рассмотрим единицу площади поверхности субстрата и адгезива. Тогда суммарная поверхностная энергия системы в исходном состоянии

.

Совместим поверхности субстрата и адгезива (нанесем фазу 3 на фазу 2) (рис. 6). Суммарная поверхностная энергия при этом станет равной

,

где s₂₃ – поверхностное натяжение на границе раздела субстрата и адгезива.

Изменение поверхностной энергии

.

С точки зрения термодинамики для равновесного обратимого процесса

.

.

Это уравнение впервые вывел Дюпре. Из уравнения Дюпре следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения субстрата и адгезива и чем меньше конечное межфазное натяжение.

Смачивание– частный случай адгезии – взаимодействие жидкости с твердой или более плотной жидкой фазой при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых газ (воздух).

Рассмотрим явление смачивания на примере капли жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела. При этом возможны следующие случаи.

Полное смачивание.Капля жидкости самопроизвольно растекается на поверхности, пока не покроет всю поверхность или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Пример: капля воды на обезжиренном стекле.

Полное несмачивание. Капля жидкости на твердой поверхности самопроизвольно принимает почти сферическую форму. Пример: капля ртути на неметаллической поверхности.

Между этими крайними случаями наблюдаются различные промежуточные случаи, когда поверхность частично смачивается жидкостью.

Количественной мерой смачивания служит краевой угол смачивания Q – угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения трех фаз. Его измеряют со стороны жидкой фазы (рис. 7).

Если Q 90° – поверхность смачивается плохо или совсем не смачивается.

Линия пересечения всех трех поверхностей раздела называется линией смачивания. Замкнутая линия смачивания образует периметр смачивания.

Угол смачивания зависит от поверхностного натяжения фаз.

Периметр смачивания является границей взаимодействия трех фаз – воздуха 1, твердого тела 2 и жидкости 3. Эти фазы имеют разграничивающие их поверхности: поверхность жидкость – газ с поверхностным натяжением s_ж-г, поверхность твердое тело –

газ с поверхностным натяжением s_т-г и поверхность твердое тело – жидкость с поверхностным натяжением s_т-ж (рис. 8).

Равновесие капли определяется одновременным воздействием этих трех поверхностных натяжений, которые на рисунке показаны в виде векторов (направлены по касательной к соответствующей поверхности). Два из них (s_т-г и s_т-ж) действуют на поверхности твердого тела в противоположных направлениях. Сила s_ж-г направлена к поверхности под углом Q.

При равновесии справедливо соотношение

– уравнение Юнга.

Из уравнения Юнга следует, что смачивание зависит от поверхностного натяжения соприкасающихся фаз:

1) s_т-г > s_т-ж, cos Q > 0, Q 90° – в данном случае поверхность плохо смачивается жидкостью;

3) чем меньше поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом s_ж-г, тем жидкость лучше смачивает поверхность.

Все жидкости по способности смачивать поверхность можно разделить на 3 группы:

Адгезию жидкости и смачивание можно изменять за счет модификации свойств твердых поверхностей путем их гидрофобизации или гидрофилизации и за счет регулирования поверхностного натяжения жидкости.

Вопрос. Как увеличить и уменьшить смачивание поверхности?

Источник

Адгезия и смачивание

Ионообменная адсорбция

Ионообменная адсорбция — это процесс, при котором твердый адсорбент обменивает свои ионы на ионы того же знака из жидкого раствора.

Твердый адсорбент, практически нерастворимый в воде поглощает из раствора ионы одного заряда (катионы или анионы) и вместо них отдает в раствор эквивалентное число других ионов того же заряда. Такой обменный ионный процесс аналогичен обменным химическим реакциям, но только протекает на поверхности твердой фазы.

Ионообменная адсорбция имеет следующие особенности:

1) специфична, т. е. к обмену способны только определенные ионы;

2) не всегда обратима;

3) протекает более медленно, чем молекулярная адсорбция;

4) может приводить к изменению рН среды.

Иониты имеют структуру в виде каркаса, «сшитого», обычно, ковалентными связями. Каркас имеет положительный или отрицательный заряд, скомпенсированный противоположным зарядом подвижных ионов (противоионов), которые могут легко заменяться на другие ионы с зарядом того же знака. Каркас выступает в роли полииона и обусловливает нерастворимость ионита в растворителях.

Различают природные и синтетические иониты. Природные: алюмосиликатные материалы – гидрослюда, цеолиты и т.д. Синтетические: ионообменные смолы, сульфитированные угли, ионообменные целлюлозы.

Ионный обмен широко применяется в различных отраслях промышленности. Иониты применяют для очистки сточных вод, умягчения и обессоливания воды, при производстве сахара, молока (для изменения его солевого состава), вина (для предотвращения помутнения и понижения кислотности).

Адгезия (прилипание, сцепление, слипание) – поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз.

Возможны три случая адгезии: адгезия между двумя жидкостями (ж-ж), между жидкостью и твердым телом (т-ж), между твердыми телами (т-т).

С адгезией сталкиваемся повсеместно: при покрытии различных поверхностей лаком и краской, склеивании материалов и т.д.

Адгезия бывает положительной (полезной) и отрицательной.

Хорошая адгезия лакокрасочных покрытий определяет эксплуатационные и потребительские качества этих покрытий. Эффективность инсектицидных препаратов, применяемых для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, во многом определяется адгезией капель или частиц этих препаратов к листьям растений. Здесь адгезия играет положительную роль.

Адгезия грунта к лемеху плуга при вспашке требует дополнительных тяговых усилий, а, следовательно, и дополнительных затрат. Это отрицательная адгезия.

В пищевой промышленности отрицательная адгезия связана с прилипанием пищевых масс (тесто, сгущенное молоко, сметана и т.п.) к стенкам оборудования, что обусловливает производственные потери.

Еще одно отрицательное проявление адгезии – аутогезия (комкование). Например, аутогезия частиц сухого молока, кофе.

Количественно адгезию характеризуют величиной работы адгезии A_адг, т.е. работой, затраченной на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы.

Субстрат (подложка) 2 – поверхность, на которую наносится вещество, наносимое вещество – адгезив 3.

Субстрат и адгезив находятся в воздухе 1(рис. 23).

Пусть s₂₁ и s₃₁ –поверхностное натяжение субстрата и адгезива на границе с воздухом соответственно.

где S– площадь поверхности.

Рассмотрим единицу площади поверхности субстрата и адгезива. Тогда суммарная поверхностная энергия системы в исходном состоянии

.

Совместим поверхности субстрата и адгезива (нанесем фазу 3 на фазу 2) (рис. 24). Суммарная поверхностная энергия при этом станет равной

,

где s₂₃ – поверхностное натяжение на границе раздела субстрата и адгезива.

Изменение поверхностной энергии

.

С точки зрения термодинамики для равновесного обратимого процесса

.

.

Это уравнение впервые вывел Дюпре. Из уравнения Дюпре следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения субстрата и адгезива и чем меньше конечное межфазное натяжение.

При интенсивном взаимодействии частиц субстрата и адгезива молекулы поверхностных слоев проникают в противоположные фазы. В предельном случае исчезает граница раздела.

Если поверхность субстрата имеет шероховатость, то это увеличивает силы адгезионного взаимодействия.

Смачивание – частный случай адгезии – взаимодействие жидкости с твердой или более плотной жидкой фазой при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых газ (воздух).

Рассмотрим явление смачивания на примере капли жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела. При этом возможны следующие случаи.

1 случай. Капля жидкости самопроизвольно растекается на поверхности, пока не покроет всю поверхность или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Это полное смачивание. Пример: капля воды на обезжиренном стекле.

2 случай. Капля жидкости на твердой поверхности самопроизвольно принимает почти сферическую форму. В этом случае говорят, что твердая поверхность не смачивается жидкостью, наблюдается полное несмачивание. Пример: капля ртути на неметаллической поверхности.

Между этими крайними случаями наблюдаются различные промежуточные случаи, когда поверхность частично смачивается жидкостью.

Количественной мерой смачивания служит краевой угол смачивания Q – угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения трех фаз. Его измеряют со стороны жидкой фазы (рис. 25).

Если Q 90° – поверхность смачивается плохо или совсем не смачивается.

Воск, парафин, тефлон, твердые жиры – плохо смачиваются водой. Они неполярны, вода полярна.

Линия пересечения всех трех поверхностей раздела называется линией смачивания. Замкнутая линия смачивания образует периметр смачивания.

Угол смачивания зависит от поверхностного натяжения фаз.

Периметр смачивания является границей взаимодействия трех фаз – воздуха 1, твердого тела 2 и жидкости 3. Эти фазы имеют разграничивающие их поверхности: поверхность жидкость – газ с поверхностным натяжением s_ж-г, поверхность твердое тело –

газ с поверхностным натяжением s_т-г и поверхность твердое тело – жидкость с поверхностным натяжением s_т-ж (рис. 26).

Равновесие капли определяется одновременным воздействием этих трех поверхностных натяжений, которые на рисунке показаны в виде векторов (направлены по касательной к соответствующей поверхности). Два из них (s_т-г и s_т-ж) действуют на поверхности твердого тела в противоположных направлениях. Сила s_ж-г направлена к поверхности под углом Q.

При равновесии справедливо соотношение

– уравнение Юнга.

Из уравнения Юнга следует, что смачивание зависит от поверхностного натяжения соприкасающихся фаз:

1) s_т-г > s_т-ж, cos Q > 0, Q 90° – в данном случае поверхность плохо смачивается жидкостью;

3) чем меньше поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом s_ж-г, тем жидкость лучше смачивает поверхность.

Все жидкости по способности смачивать поверхность можно разделить на 3 группы:

Адгезию жидкости и смачивание можно изменять за счет модификации свойств твердых поверхностей путем их гидрофобизации или гидрофилизации и за счет регулирования поверхностного натяжения жидкости.

Вопрос для размышления: Как увеличить и как уменьшить смачиваемость поверхности (например, обуви)?

Раздел III. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ

Источник

Экзаменационный билет № 18. 1. Адгезия, смачивание и растекание жидкостей как поверхностные явления, общность и различие этих явлений

1. Адгезия, смачивание и растекание жидкостей как поверхностные явления, общность и различие этих явлений. Условия растекания, коэффициент растекания по Гаркинсу. Влияние ПАВ на смачивание и растекание.

Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсированными фазами. Межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы, называют адгезией (прилипанием).

Смачивание— это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздухом). Степень смачивания количественно характеризуется косинусом краевого угла (угла смачивания), или просто краевым углом (углом смачивания).

Капля жидкости, нанесенная на поверхность, может оставаться на ее определенном участке, и система будет находиться в равновесии в соответствии с законом Юнга, или же растекаться по поверхности. В обоих этих случаях система переходит в состояние с минимальной энергией Гиббса. Если капля не растекается, то, кал было показано выше, краевой угол зависит от соотношения работ адгезии W_а и когезии W_к смачивающей жидкости.

Рассмотрим условия растекания жидкости 2 по поверхности 3. Изменение энергии Гиббса можно записать следующим пбразом:

Для самопроизвольного процесса dG 0:

Если разность заменить выражением из уравнения Дюпре, то получим или

Разницу между левой и правой частями этих неравенств называют коэффициентом растекания f по Гаркинсу: или

При положительном значении коэффициента f жидкость растекается по поверхности, при отрицательном — нe растекается.

Введение ПАВ уменьшает работу когезии (поверхностное натяжение) жидкости а значит, как следует из уравнения Дюпре-Юнга, увеличивает смачивание. Лучше смачивает та жидкость, которая имеет меньшее поверхностное натяжение или работу когезии.

2. Седиментационный анализ. Кривые распределения частиц по размерам, их расчет и назначение, седиментация в центробежном поле.

Принцип седиментационного метода анализа дисперсности состоит в измерении скорости осаждения частиц, обычно в жидкой среде. По скорости осаждения с помощью соответствующих уравнений рассчитывают размеры частиц. Метод позволяет определить распределение частиц по размерам и соответственно подсчитать их удельную поверхность.

При седиментационном анализе дисперсности полидисперсных систем определяют время осаждения частиц отдельных фракций, рассчитывают скорости их осаждения и соответствующие им размеры частиц. Для этого сначала измеряют зависимость массы осевшего осадка от времени, строят график этой зависимости, называемой кривой седиментации, по которому затем определяют все необходимые характеристики дисперсной системы.

Имеются графические и аналитические методы расчета кривой седиментации.

Реальная кривая седиментации полидисперсной системы обычно получается плавной и ей отвечает множество бесконечно малых участков, касательные в каждой точке этой кривой отражают седиментацию данной бесконечно малой фракции.

Результаты седиментациоиного анализа дисперсности полиднсперсных систем представляют также в виде кривых распределения частиц по размерам, характеризующих степень полидисперсности системы.

Кривая распределения является наглядной и удобной характеристикой полидисперсности системы, по которой легко определить содержание различных фракций. Ее строят подобно кривой распределения пор по размерам. Обычно сначала получают интегральную кривую распределения, проводят ее выравнивание с учетом точности получаемых средних значений радиусов частиц фракций и затем по ней строят дифференциальную кривую распределения. Иногда дифференциальную кривую строят сразу. На оси абсцисс откладывают значения радиусов; на ось ординат наносят отношение приращения массовых долей к разности радиусов частиц соседних фракций Δx/Δr_i. Построив на графике отдельные прямоугольники для каждой фракции (гистограмму) и соединив плавной кривой середины их верхних сторон, получают дифференциальную кривую распределения частиц полидисперсной системы по размерам.

Для осуществления седиментации ультрамикрогетерогенных систем русский ученый А. В. Думанский в 1912 г. предложил использовать центробежное поле. Этот способ удалось реализовать шведскому ученому Сведбергу, который разработал центрифугу с частотой вращения в несколько десятков тысяч оборотов в секунду.

Центробежная сила F_ц, как и нормальное ускорение а, пропорциональна кривизне траектории движения частицы (при постоянной линейной скорости u):

Равновесие между F_тр и F_ц, которое наступает при седиментации, удобнее записать таким образом (чтобы оставить одну переменную от времени):

Разделяя переменные в полученном соотношении и интегрируя его в пределах от начального расстояния x₀ до x и соответственно от τ = 0 до τ, получим:

или

По характеристикам седиментации в центробежном поле при частоте вращения ротора в несколько десятков тысяч оборотов в секунду можно рассчитывать молекулярную массу, например, полимеров. Определив массу m или размер r макромолекулы, мольную массу (численно равную молекулярной массе) рассчитывают по формуле:

Источник