Поверхностное натяжение и смачивающая способность

Поверхности всех веществ обладают специфическими свойствами, обусловленными особым положением поверхностных атомов.

Атомы, находящиеся внутри вещества, со всех сторон окружены другими атомами, и силы их взаимодействия с соседями скомпенсированы — равнодействующая этих сил равна нулю. С другой стороны, поверхностные атомы окружены ближайшими соседними лишь частично: часть сил их химических связей с соседями остается нескомпенсированной. Таким образом, поверхностные атомы обладают избытком свободной энергии. Образование любой новой поверхности можно условно уподобить переводу части атомов из внутренних частей решет­ки на поверхность, при этом должны быть разорваны или искажены связи этих атомов с другими атомами, а это требует определенных затрат энергии. Эти затраты энергии, отнесенные к единице площади, и характеризуют собой поверхностную энергию.

Полная поверхностная энергия s) представляет собой сумму свободной поверхностной энергии (sS) и скрытой теплоты образова­ния поверхности (q).

Свободная или удельная поверхностная энергия ss характеризу­ется работой, затрачиваемой на увеличение поверхности на единицу площади, и имеет размерность в системе СИ Дж/м2.

Поскольку всякая система стремится к минимуму своей свобод­ной энергии, система, имеющая поверхности раздела, стремится уменьшить поверхностную энергию. Это осуществляется за счет сил поверхностного натяжения, являющихся проявлением действия по­верхностной энергии. Поверхностным натяжением (s) называется величина силы, действующей на единицу длины по касательной к поверхности и в системе СИ она имеет размерность Н/м.

Поверхностная энергия и поверхностное натяжение являются функциями энергии межатомной связи и при равных условиях увеличиваются с увеличением силы взаимодействия между атомами, т.е.поверхностная энергия и поверхностное натяжение у твердых тел значительно больше, чем у жидкостей.

Величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз определяет такое важное свойство жидкостей и расплавов, как смачивающая способность. Степень смачивания определяется соот­ношением величин поверхностного натяжения соприкасающихся фаз. Способность к смачиванию характеризуется так называемым краевым углом смачивания (рис. 15). Краевым угломсмачивания твердой фазы жидкой называется угол, образованный поверхностью твердой фазы и касательной к поверхности жидкой фазы, проведенной из точки соприкосновения трех фаз — жидкой, твердой и газообразной и замеренный в жидкой фазе.

Краевой угол смачивания q служит мерой смачивающей способ­ности расплава или жидкости. При q < 90° (т.е. при остром угле) рас­плав смачивает твердую поверхность, а при q > 90° (т.е. при тупом угле) — не смачивает. Чем больше краевой угол смачивания, тем хуже смачивание, и наоборот.

Величина краевого угла смачивания зависит прежде всего от при­роды соприкасающихся фаз и температуры (обратная зависимость).

Условия равновесия на границе трех фаз определяются уравне­нием:

где sтг — поверхностное натяжение на границе твердая фаза — газ;

sтж —поверхностное натяжение на границе тв. фаза — жидкость;

sжг - поверхностное натяжение на границе жидкость — газ;

Из приведенного уравнения следует:

Соответственно, смачивание поверхности твердого тела жидко­стью будет тем лучше, чем больше sтг на границе твердое тело — газ и меньше на границах тв. тело — жидкость и жидкость — газ, т.е. при увеличении соs и уменьшении q. Равновесная форма капли на поверхности твердого тела соответствует минимальной поверхностной энергии всех присутствующих фаз. Если энергия поверхности раздела твердая фаза жидкость велика, капля стремится принять форму шара, чтобы уменьшить поверхность соприкосновения этих фаз и наоборот.

При q = 0° имеют место абсолютное смачивание и предельное растяжение жидкости по поверхности твердой фазы. Абсолютное несмачивание отвечает значению q = 180°. Краевой угол, рав­ный 90°, является граничным случаем.

Величина поверх­ностного натяжения и связанная с ней смачивающая способность, оказывают существенное влияние как на процесс получения различ­ных силикатных материалов, так и на их свойства.

При варке стекла, например, величина поверхностного натяже­ния расплава стекла влияет на удаление из стекломассы газовых пузырей (осветление стекла), поскольку она определяет величину пузырей. Поверхностное натяже­ние сильно влияет и на процесс формования (выработки) стеклоизделий. Например, при изготовлении листового стекла на машинах вертикального вытягивания лента стекла под действием сил поверх­ностного натяжения стремится сузиться, против чего необходимо принимать ряд мер. Острые края стеклоизделий при оплавлении принимают сферическую форму также под влиянием сил поверхност­ного натяжения.

Смачивающая способность силикатных расплавов имеет решающее значение для процессов глазурования и эмалирования. При глазуровании керамических изделий состав и свойства глазури, а также температура глазурования должны подбираться таким обра­зом, чтобы обеспечить достаточную степень смачивания керамики, при которой глазурь будет равномерно растекаться по поверхности керамики, прочно сцепляться с поверхностью керамического изде­лия и не отставать от нее, собираясь в капли.

Некоторые оксиды, вводимые в силикатные расплавы, имея в жидком состоянии более низкую поверхностную энергию, чем основ­ной расплав, стремятся сконцентрироваться на поверхности, образуя на ней устойчивый слой и резко понижая величину поверхностного натяжения. Такие вещества называются поверхностно-активными. Для силикатных расплавов поверхностно-активными служат такие малорастворимые оксиды, как МоО3, WО3, Аs2О5 и другие оксиды тяжелых металлов. Уменьшая поверх­ностное натяжение, поверхностно-активные вещества увеличивают смачивающую способность силикатных расплавов. Это используется на практике для улучшения смачивания керамики расплавами глазурей, что достигается прибавлением с ним поверхностно-активных веществ.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



double arrow
Сейчас читают про: