2017-12-16
3662
1. Адгезия и смачивание, определения. Уравнение Дюпре для работы адгезии. Угол смачивания и уравнение Юнга. Уравнение Дюпре-Юнга для работы адгезии. Влияние ПАВ на адгезию и смачивание.
Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсированными фазами. Межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы, называют адгезией (прилипанием).
Работа адгезии Wа, характеризующая прочность адгезионной связи, определяется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Ома измеряется в тех же единицах, что и поверхностное натяжение (Дж/м2). Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел s, равна
Чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностными натяжениями взаимодействующих компонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 и 3, имеющие поверхности на границе с воздухом 1, равные единице площади.
|
|
|
Для начального и конечного состояний системы имеем 
Изменение энергии Гиббса системы в процесс адгезии равно 
или
Это уравнение Дюпре. Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии.
Условие растворения: 
Смачивание— это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздухом). Степень смачивания количественно характеризуется косинусом краевого угла (угла смачивания), или просто краевым углом (углом смачивания).
Угол θ, который образован касательными к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, имеющий вершину на линии раздела трех фаз, называется краевым углом, или углом смачивания.
Так как поверхностное натяжение можно рассматривать как энергию, приходящуюся на единицу площади, или как силу, действующую на единицу длины, то все рассмотренные составляющие поверхностной энергии можно выразить с помощью векторов сил. При равновесии между ними соблюдается следующее соотношение:
Полученное соотношение называется законом Юнга.
Чем меньше угол Θ и соответственно больше cos θ, тем лучше смачивается поверхность. При остром угле Θ, т. е. при cos θ>0, поверхность считают хорошо смачиваемой данной жидкостью. Если угол θ тупой, т. е. соs θ<0, то по отношению к данной жидкости поверхность смачивается плохо (часто говорят «не смачивается»).
Уравнение Дюпре самостоятельно почти не используется для расчета работы адгезии из-за трудности определения поверхностного натяжения твердых тел на границе с газом (воздухом) и жидкостью. Удобную для расчета этой величины форму имеет соотношение, получаемое в результате сочетания уравнения Дюпре с законом Юнга
|
|
|
Если разность 
в уравнении Дюпре заменить ее выражением нз закона Юнга
, получим
Это уравнение называют уравнением Дюпре-Юнга; оно связывает работу адгезии с краевым углом и позволяет рассчитать работу адгезии, если известны поверхностное натяжение жидкости и краевой угол. Обе эти величины можно сравнительно легко определить экспериментально.
Введение ПАВ уменьшает работу когезии (поверхностное натяжение) жидкости а значит, как следует из уравнения Дюпре-Юнга, увеличивает смачивание. Лучше смачивает та жидкость, которая имеет меньшее поверхностное натяжение или работу когезии.
2. Электрокинетические явления. Электростатический потенциал. Вывод уравнения Смолуховского для электроосмоса (или электрофореза). Эффекты, не учитываемые уравнением Смолуховского (поверхностная проводимость, элсктрофоретическое торможение, релаксационный эффект).
Протекание электрокинетических явлений в дисперсных систе-иах возможно при наличии на границе раздела фаз двойного электрического слоя, имеющего диффузное строение. При относительном перемещении фаз независимо от причин, его вызвавших, происходит разрыв двойного электрического слоя по плоскости скольжения.
Потенциал, возникающий на плоскости скольжения при отрыае части диффузного слоя, называется электрокинетическим потенциалом или ζ (дзета)-потенциалом.
Для получения наиболее простого уравнения, связывающего скорость относительного движения фаз с параметрами дисперсионной среды (вязкость, диэлектрическая проницаемость), двойного электрического слоя (ζ-потенциал) и внешнего электрического поля (напряженность), необходимо задаться некоторыми ограничениями:
1) толщина двойного электрического слоя значительно меньше радиуса пор, капилляров твердой фазы (радиуса кривизны поверхности твердой фазы);
2) слой жидкости, непосредственно прилегающий к твердой фазе, неподвижен, движение жидкости в порах твердой фазы ламинарное и подчиняется законам гидродинамики;
3) распределение зарядов в двойном электрическом слое не зависит от приложенной разности потенциалов;
4) твердая фаза является диэлектриком, а жидкость проводит электрический ток.
Электрическая сила, действующая на слой жидкости dх (в расчете на единицу площади поверхности), равна
Сила трения и ее дифференциал, приходящиеся на единиц) площади (согласно закону Ньютона), составляют:
При установившемся движении (в стационарном состоянии) dFэл = dFтр:
После интегрирования, окончательно получим следующее выражение для постоянной линейной скорости жидкости относительно мембраны: 
Это уравнение носит название уравнения Гельмгольца — Смолуховского.
Уравнение Гельмгольца — Смолуховского чаще записывают относительно ζ-потенциала: 
Это дифференциальное уравнение справедливо как для электроосмоса, так и для электрофореза, поскольку оно было выведено из баланса движущих сил процесса — электрической силы и силы трения. Отличие состоит только в выбранной системе координат.
Несовпадение экспериментальных и теоретических значений электрофоретнческой подвижности определяется в основном двумя эффектами, неучтенными теорией Гельмгольца — Смолуховского: релаксационным эффектом и электрофоретическим торможением.
Релаксационный эффект проявляется в нарушении симметрии диффузного слоя вокруг частицы при относительном движении фаз в противоположные стороны. Возникает внутреннее электрическое поле (диполь), направленное против внешнего поля. Для восстановления равновесного состояния системы требуется некоторое время, называемое временем релаксации.
|
|
|
Электрофоретическое торможение обусловлено сопротивлением движению частицы обратным потоком противоионов, который увлекает за собой жидкость. Вследствие этого электрофоретическая скорость уменьшается.
3. По результатам измерения адсорбции на активированном угле рассчитайте удельную поверхность адсорбента (величина адсорбции указана в расчете на азот при нормальных условиях):
| P·10-2, Па | А·103, м3/кг |
| 1,85 | 5,06 |
| 4,01 | 9,90 |
| 68,80 | 40,83 |
