Характеристика процесса смачивания
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
?ием, что получило широкое промышленное применение в промышленных процессах (во флотации, в очистке материалов от загрязнений, технологии моющего действия и т. д.). [3]
1. Общая характеристика процесса смачивания
Смачивание - поверхностное явление твёрдого тела или другой жидкости, которая не смешивается с первой (так называемое избирательное смачивание). Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собою, то жидкость растекается по поверхности или, как говорят, смачивает ее. Растекание происходит до тех пор, пока жидкость не покроет всю поверхность твердого тела или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Такой случай называется полным смачиванием. Он наблюдается, например, при нанесении капли воды на поверхность чистого стекла. Если молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с молекулами твердого тела, растекания не произойдет. Наоборот, жидкость соберется на поверхности в каплю, которая, если бы не действовала сила тяжести, имела бы почти сферическую форму. Случай, близкий к этому, наблюдается при нанесении капли ртути на любую неметаллическую поверхность. Между этими двумя крайними случаями в зависимости от соотношения интенсивности молекулярных сил, действующих, с одной стороны, между молекулами жидкости и, с другой - между молекулами жидкости и твердого тела, возможны переходные случаи неполного смачивания, когда капля образует с поверхностью твердого тела определенный равновесный угол, называемый краевым углом или углом смачивания.
Равновесный краевой угол смачивания определяется наклоном поверхности жидкости смачивания ( рис.1) [2]
Рис. 1. Капля на твердой поверхности.
.1 Основной закон смачивания
Феноменологическую (капиллярную) теорию смачивания создали Юнг(1804 год) и Лаплас(1805 год). Количественной мерой смачивания служит краевой угол между касательной АВ к искривленной поверхности жидкости и смоченной поверхностью АА (рис.2).
рис.2. Краевой угол капли жидкости (ж) на твердой поверхности (т), третья фаза - газ(г)
Граничный контур (периметр основания капли) называется линией трехфазного контакта (ЛТК). Этот термин подчеркивает, что в смачивании участвуют три фазы 1) твердое тело, 2) смачивающая жидкость, 3)фаза -предшественник , которая находилась в контакте с твердой поверхностью до подвода жидкости. Далее будет рассматриваться случай газовой фазы. Однако это может быть и другая жидкость, которая не смешивается с первой.
Центральное положение теории Юнга-Лапласа: краевой угол определяется конкуренцией двух сил, действующих на ЛТК. Одна сила - это притяжение молекул жидкости к ближайшим молекулам жидкости на поверхности капли. В раiете на единицу длины ЛТК это сила поверхностного натяжения жидкости ( в мН/м).
Другая сила создается притяжением тех же молекул ЛТК к ближайшим молекулам на поверхности твердое тело-газ. Эта сила направлена вдоль поверхности твердого тела во внешнюю сторону от ЛТК. Юнг назвал ее силой адгезии ( в мН/м) (adhesion-прилипание). Равновесный краевой угол 0 находят из условия механического равновесия на ЛТК.
Фундаментальный закон смачивания в формулировке Юнга имеет вид
0=, (1)
По словам Максвелла, методы рассуждения Юнга всегда корректны и весьма изящны, но очень затруднительны из-за педантичного игнорирования математических символов.
В более общей форме равновесный краевой угол определяется термодинамически (Гиббс, 1878 год) из условия минимальности свободной поверхностной энергии Fn трехфазной системы твердое тело-жидкость-газ. В случае капли:
=, (2)
где ( в м2 )-площади контакта фаз твердое тело-газ, твердое тело-жидкость, жидкость - газ, ( в мДж/м2 )-удельные свободные энергии этих поверхностей. Для жидкостей численные значения поверхностного натяжения и поверхностной энергии совпадают, то есть ||=|жг|.
Из условия Fn = min следует
сos0 = (тг - тж)/ жг, (3)
Это уравнение представляет современную формулировку основного закона смачивания.[3]
Измеряя величину угла 0, оценивают лиофильность и лиофобность поверхностей по отношению к различным жидкостям. Различают три случая контактного взаимодействия жидкостей с поверхностью твердых тел: 1) несмачивание, когда 90 <0 < 180 (например, ртуть на стекле, вода на парафине): 2) ограниченное смачивание, когда 0 < 0 < 90 (например, вода на оксидах металлов); 3) полное смачивание, когда капля растекается в тонкую пленку (ртуть на свинце). В первом случае поверхность по отношению к данной жидкости лиофобна (от греч. - + - страх - боящаяся растворения), а во втором - лиофильна (от греч. - - разбираю на части + - люблю - любящая растворение).
.2 Адгезия, когезия и теплота смачивания
Явления смачивания и растекания тесно связаны с действие сил когезии и адгезии.
Когезия (от лат. cohaesus - связанный, iепленный) - iепление частей одного и того же однородного тела (жидкого или твердого). Обусловлена химической связью между составляющими тело частицами (атомами, ионами) и межмолекулярным