7

Лекція № 3 Поверхневі явища

(доробити! Добавити задачі про змочування, флотацію. Знайти капілярні явища)

1. Когезія та адгезія

2. Залежність поверхневої енергії та поверхневого натягу від параметрів та стану системи

3. Розтікання

4. Змочування. Флотація

5. Капілярні явища

Наявність в міжфазних шарах надлишкової вільної енергії приводить до різноманітних поверхневих явищ, звۥязаних зі зміною форми поверхні. До них відносять когезію та адгезію, змочуванність та розтікання, капілярні явища.

1. Когезія та адгезія

Когезія − явище зчеплення однорідних молекул, атомів або іонів, що включає усі види міжмолекулярного і міжатомного притягання усередині однієї фази. Ці взаємодії відрізняються від хімічних відсутністю специфічності та насиченості, невеликими енергіями та їх проявою на достатньо великих відстанях.

Велика когезія визначає існування речовин у конденсованому (твердому і рідкому) стані. Газоподібні речовини мають малу когезію.

Когезію можна характеризувати енергією кристалічної решітки, внутрішним тиском, температурою кіпіння тощо. Найчастіше когезію кількісно характеризують величиною роботи когезії (Гаркінс). Робота когезії дорівнює енергії, яка витрачається на розрив фази речовини по перетину, рівному одиниці площі. Чисельно вона дорівнює подвоєному значенню поверхневого натягу:

W_c = 2s.

W_c ще називають когезійною міцністю або міцністю на розрив. Для води, наприклад, вона дорівнює 2 7210⁻³ = 14410⁻³ Дж/м², для бензена 56,410⁻³ Дж/м².

Робота когезії витрачається на подолання сил зчеплення між однорідними молекулами речовини.

Адгезія (злипання) – молекулярне притягання між поверхнями двох дотичних різнорідних твердих або рідких фаз. Щоб розділити дотичні фази і утворити дві нові поверхні треба подолати сили зчеплення між контактуючими речовинами, тобто витратити енергію. Ця енергія, віднесена до одиниці площі називається роботою адгезії. Робота адгезії для двох рідин визначається рівнянням Дюпре:

W_а = s_1,3 + s_2,3 − s_1,2,

де s_1,3, s_2,3, s_1,2 − поверхневі натяги на границях перша рідина − повітря, друга рідина − повітря та перша рідина − друга рідина, відповідно.

Наприклад, робота адгезії для системи вода − бензен дорівнює:

W_а = (72,0 + 28,0 − 35, 0)10⁻³ = 6510⁻³ Дж/м².

Адгезія є причиною склеювання двох різних речовин за рахунок дії фізичних чи хімічних міжмолекулярних сил.

Адгезія супроводжується зменшенням поверхневої енергії.

2. Розтікання

При нанесенні краплі нерозчинної рідини на тверду або рідку поверхню в одних випадках відбувається розтікання краплі, в інших − воно відсутне. Розтікання спостерігається якщо W_с < W_а і зумовлюється поверхневим натягом на трьох поверхнях розділу: вода – повітря (_вп), вода – масло (_вм) й масло – повітря (_мп).

Якщо W_c > W_а, − крапля не розтікається на поверхні.

Мірою розтікання служить коефіцієнт розтікання f = W_а. − W_с. З другого боку f = – , де G^S – зміна енергії Гиббса, що приходиться на одиницю площі в процесі розтікання.

При f > 0, G^S < 0 відбувається розтікання, при f < 0, G^S > 0 – розтікання відсутнє.

Наприклад, для системи бензен − вода:

f = W_а. − W_с = (65 − 56)10⁻³ = 910⁻³ > 0, тому, капля бензену, нанесена на воду буде розтікатися.

Ще один приклад: система вода − карбон (IV) сульфід.

W_c (СS₂) = 62,8 10⁻³ Дж/м^2;

W_c (Н₂О) = 72,2 10⁻³ Дж/м²;

W_а (Н₂О − СS₂ ) = 55,8×10⁻³ Дж/м²;

f = W_а − W_с = W_а (Н₂О − СS₂) − W_c(СS₂) = (55,8 − 62,8)×10⁻³ = −7 Дж/м² . Коефіцієнт розтікання відۥємний, тому карбон (IV) сульфід не розтікається по воді.