Рассмотрите количественные характеристики адгезионных процессов

Чтобы разорвать столбик жидкости с образованием двух новых поверхностей раздела (см. схему а), необходимо затратить работу, которая равна работе когезии, но противоположна по знаку:

W_разр = –DG

Изменение энергии Гиббса в этом процессе:

DG = DG_кон – DG_нач = s₁₂ + s₁₂ – 0 = 2s₁₂

–W_разр = W_к

W_к = 2s₁₂

Работа, затрачиваемая на разрыв поверхностного слоя (см. схему б), будет равна работе адгезии с обратным знаком:

–W_разр = DG,

где DG – изменение энергии Гиббса в процессе разрушения адгезионного слоя.

DG_нач = s₁₃

DG_кон = s₃₂ + s₁₂ – s₁₃

DG = DG_кон – DG_нач = s₃₂ + s₁₂ – s₁₃

–W_разр = W_а = DG

W_а = s₃₂ + s₁₂ – s₁₃ (уравнение Дюпре)

Рассмотрите на качественном уровне возможные варианты поведения капли жидкости на поверхности твердого тела.

Капля на поверхности твердого тела представляет собой трехфазную систему: фаза Ж – жидкость капли, фаза Г – воздух, фаза Т – твердое тело:

Условие растекания капли: s_ТГ > s_ТЖ.

(Как Вы думаете, как при растекании капли изменяется энергия Гиббса системы, если очевидно, что поверхность с большей энергией Гиббса заменяется поверхностью с меньшей энергией? Вам понятно, почему различаются энергии этих поверхностей?)

Следует также принять во внимание, что в этом процессе увеличивается энергия на границе жидкость–газ и поэтому можно ожидать остановку процесса растекания при достижении равенства s_ТГ – s_ТЖ и s_ЖГ·cosθ, или неограниченное растекание, если s_ТГ – s_ТЖ > s_ЖГ·cosθ.

Если s_ТГ < s_ТЖ может произойти стягивание капли. В первом случае происходит смачивание, а во втором – несмачивание твердого тела жидкостью.

(Что является количественной характеристикой смачивания? Приведите математическое выражение закона Юнга и покажите, как оно получается.)

Приведите уравнение, выражающее взаимосвязь работы когезии, поверхностного натяжения и краевого угла смачивания.

Это уравнение называется уравнением Юнга-Дюпре:

Таким образом, смачивание, характеризующееся косинусом краевого угла θ, определяется отношением работы адгезии к работе когезии для смачивающей жидкости.

Рассмотренные выше закономерности смачивания выполняются не на всех поверхностях, а только на идеально гладких и однородных. Реально же твердые тела всегда имеют неоднородности, от которых зависит краевой угол смачивания, и которые затрудняют определение краевых углов. (Назовите явление, которое заключается в наличии нескольких стабильных краевых углов, отличных от равновесного. Давая ответ на этот вопрос, Вы, наверное, вспомнили, что такое углы натекания и оттекания и как их можно наблюдать. Дайте графическое пояснение.)

Вопросы и задания для самоконтроля знаний по материалу 8-й лекции

1 Какие реальные процессы связаны с поверхностными свойствами веществ?

2 В чем заключается принципиальная особенность высокодисперсных систем?

3 Как изменяются термодинамические параметры в пределах фазы и в пределах поверхностного слоя?

4 Что такое внутреннее давление?

5 Дайте силовое и энергетическое определение поверхностного натяжения.

6 Поясните, за счет чего возникает поверхностное натяжение. Какие силы ответственны за его проявление?

7 На чем основано термодинамическое описание поверхности разрыва?

8 Поясните, в чем суть двух методов выражения термодинамических функций поверхностного слоя.

9 Выразите энергию Гельмгольца для дисперсной системы, следуя методу Гиббса и методу слоя конечной толщины.

10 Как зависит поверхностное натяжение от температуры?

11 Приведите термодинамическое выражение для величины σ.

12 Применимы ли обычные термодинамические закономерности к избыточным значениям термодинамических функций, характеризующих поверхностный слой?

13 Как увеличится поверхностная энергия капель жира, содержащихся в 1 кг майонеза, по сравнению с его нераздробленной массой площадью 0,65∙10^-3 м². Плотность жировой фракции 0,9∙10³ кг/м³, диаметр капель 35 мкм.

14 Чему равно приращение энергии Гиббса для капель жировой фракции, которое достигается за счет диспергирования жира в майонезе?

15 Дайте определение адгезии и когезии. Приведите их количественные характеристики.

16 Что такое краевой угол смачивания?

17 Запишите уравнение Юнга, Дюпре и Юнга-Дюпре. Для чего они используются?

18 Охарактеризуйте условия смачивания и несмачивания, а также поясните, в каком случае может наблюдаться неограниченное растекание.

19 Что такое гистерезис смачивания?

20 Как влияет шероховатость поверхности на характеристики смачивания?

21 Поясните, почему «жирные» тарелки лучше отмываются горячей водой, чем холодной.

Знакомимся с основными понятиями физической химии (для курсантов военного факультета)

Повторяем курс физической химии (для студентов химического факультета)

1. ...............

ЛЕКЦИЯ 9

«Роль капиллярных явлений в природе и технике огромна. Ими обусловлено проникновение жидкости по тонким каналам в почвах, растениях, горных породах, пропитка пористых материалов и тканей, изменение структурно-механических свойств почв и грунтов при их увлажнении и т. п.»

Е.Д. Щукин

До сих пор мы рассматривали процессы в системах, в которых соприкасающиеся фазы разделены плоской межфазной поверхностью. Исходя из такой позиции, невозможно объяснить некоторые явления, которые мы наблюдаем даже в повседневной жизни, например, самопроизвольное поднятие жидкости по тонкому сосуду (капилляру). Попробуйте объяснить, за счет чего жидкость самопроизвольно поднимается по капилляру. В каких случаях наблюдается опускание уровня жидкости в капилляре по сравнению с уровнем жидкости в сосуде?

Предположим, что мы опустили капилляр в некую жидкость. Как Вы уже знаете из материала предыдущей лекции, в зависимости от природы жидкости и материала капилляра возможны два варианта: жидкость смачивает капилляр, и жидкость не смачивает капилляр. В первом случае мы будем наблюдать самопроизвольное поднятие уровня жидкости по капилляру на некоторую величину. Это обусловлено тем, что поверхностно натяжение на границе ТГ больше, чем геометрическая сумма сил, обусловленная действием поверхностного натяжения на границах ТЖ и ЖГ: . В результате система, проявляя тенденцию к снижению общей ее энергии, стремится к уменьшению s_ТГ путем покрытия как можно большей площади твердого тела жидкостью (при этом площадь границы ТГ уменьшается и соответственно уменьшается энергия Гиббса, равная sS). Иными словами, сила взаимодействия жидкости с материалом капилляра преобладает над суммарной силой взаимодействия жидкости с газом и газа с материалом капилляра.

В противоположном случае, когда имеет место обратное неравенство , уровень жидкости в капилляре становится ниже уровня жидкости в сосуде.

В результате описанных процессов мы будем наблюдать либо вогнутый, либо выпуклый (не плоский!) мениск жидкости в капилляре, т. е. форма межфазной поверхности на границе ЖГ будет искривлена (в данном случае она будет сферической).

Явление искривления межфазной поверхности далеко не ограничивается особенностями движения жидкости по капилляру. Приведите примеры других систем, для которых характерно искривление поверхности границы раздела фаз.

Искривление межфазной поверхности наблюдается практически для любых систем на микроуровне. Идеально плоская поверхность наблюдается в редких случаях и является скорее исключением. Однако сильно выраженное искривление характерно именно для высокодисперсных систем, т. е. для мелких частиц – частиц дисперсной фазы золей, суспензий, эмульсий, нитей, капелек жидкости в газе и т. п.