2.4. Межмолекулярные и межфазные взаимодействия

В гетерогенных системах различают межмолекулярные взаимодействия внутри фаз и между фазами.

2.4.1. Когезия

Когезия – притяжение атомов или молекул внутри отдельной фазы. Она обусловлена межмолекулярными и межатомными взаимодействиями различной природы. Когезионные силы иногда называют силами аттракции (притяжения).

Работа когезии () определяется затратой энергии на обратимый изотермический разрыв тела по сечению, равному единице площади. Так как при разрыве образуется поверхность в две единицы площади, то работа когезии равна удвоенному значению поверхностного натяжения на границе с газом:

. (2.11)

Величину часто называют прочностью на разрыв или когезионной прочностью.

Когезия отражает межмолекулярные взаимодействия внутри гомогенной фазы (прочность на разрыв), поэтому когезия определяет существование веществ в конденсированном (твердом или жидком) состоянии.

2.4.2. Адгезия

Адгезия (прилипание, склеивание) – взаимодействие между разнородными конденсированными телами при их молекулярном контакте (возникновение механической прочности при контакте поверхностей двух разных веществ).

Причиной адгезии является молекулярное притяжение контактирующих веществ или их химическое взаимодействие. Термодинамической характеристикой адгезии служит работа адгезии.

Работа адгезии () – работа, которую необходимо совершить для разделения двух контактирующих фаз.

Работу адгезии рассчитывают по уравнению Дюпре (1869):

, (2.12)

где ,,– поверхностные натяжения второго и третьего конденсированного тела на границе с газом и межфазное натяжение на границе второго тела с третьим.

Таким образом, работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше межфазное натяжение. Адгезия играет большую роль во многих технологических и природных процессах – процессах склеивания материалов, нанесения красок, смазки деталей и т.д.

2.4.3. Растекание одной жидкости по поверхности другой

Согласно правилу Гаркинса, растекание одной жидкости по поверхности другой происходит, если прилипание между двумя жидкостями больше, чем сцепление растекающейся жидкости.

Следовательно, при – > 0 происходит растекание, если – < 0, растекание не происходит.

Растекание происходит в том случае, если работа адгезии превышает работу когезии растекающейся жидкости, т.е. жидкость растекается, если ее межмолекулярные связи разрушаются в результате адгезии.

Количественно растекание характеризуется коэффициентом растекания ():

. (2.13)

При этом, если > 0, то происходит растекание, если< 0, то растекание не происходит.

Способность жидкости растекаться в большой степени зависит от когезии наносимой на поверхность жидкости. Например, многие органические вещества растекаются по поверхности воды, а вода, как правило, не растекается на органических веществах, что обусловлено значительно большей когезией воды.

С повышением температуры работа адгезии увеличивается и уменьшается работа когезии смачивающей жидкости. В результате не растекающаяся жидкость при повышении температуры начнет растекаться. Растекание жидкости можно обеспечить, добавляя в нее вещества, уменьшающие ее поверхностное натяжение и увеличивающие работу адгезии со смачиваемой поверхностью.

Для того чтобы произошло растекание жидкости, не обязательно наличие полярных групп. Однако полярные группы повышают величину по отношению к воде значительно больше, чем, так что разность– увеличивается. Отсутствие растекания, как правило, вызывается высоким значениемдля данной жидкости.