Капиллярное давление. Зависимость упругости пара от кривизны поверхности раздела. Изотермическая перегонка

При смачивании возникает искривление поверхности, изменяющее свойства поверхностного слоя. Существование избытка свободной энергии у искривленной поверхности приводит к капиллярным явлениям.

Давление в двух объемных фазах, разделенных искривленной поверхностью различное. Давление под выпуклой поверхностью выше, чем под плоской или вогнутой.

Чем больше кривизна поверхности, тем больше разность давлений.

Капиллярное давление — это скачок давления (Δp) на границе двух фаз, разделённых искривлённой поверхностью. Капиллярное давление зависит от поверхностного натяжения и кривизны поверхности

Обозначим давление под искривлённой поверхностью жидкости — p_r, давление под плоской поверхностью —p₀

Капиллярное давление определяется уравнением

Чем больше кривизна мениска тем выше поднятие. В случае если, гидрофобные стенки у капилляра, опустить такой капилляр в парафин,то будет происходить капиллярное отпускание.

Давление насыщенного пара будет больше над искривленной поверхностью, чем над плоской.Для большей капли p_r меньше чем для маленькой. Давление пара над мелкими каплями жидкости будет всегда больше, чем над крупными. Разность давлений будет вызывать перенос молекул пара от мелких капель к крупным с последующей конденсацией испаренной массы. Этот процесс приводит к увеличению объема больших капель за счет исчезновения маленьких и называется изотермической перегонкой. Процесс изотермической перегонки является причиной выпадения атмосферных осадков (дождя) – высокодисперсные капли воды, составляющие облака и туманы, укрупняются в процессе изотермической перегонки, образуя капли дождя.

7. Адсорбция паров пористыми материалами. Капиллярная конденсация. Определение удельной поверхности адсорбента.

Капиллярная конденсация — сжижение пара в капиллярах, щелях или порах в твердых телах. Капиллярная конденсация обусловлена наличием у адсорбента мелких пор. Пары адсорбата конденсируются в таких порах при давлениях, меньших давления насыщенного пара над плоской поверхностью вследствие образования в капиллярах вогнутых менисков.

Капиллярная конденсация может наблюдаться не только в системах жидкость-пар, но и в промерзающих пористых телах при наличии прослоек незамерзающей воды на внутренней поверхности пор.

Капиллярная конденсация может быть причиной прилипания частиц пыли к твердым поверхностям, разрушения пористых тел.

Удельная поверхность — усреднённая характеристика размеров внутренних полостей (каналов, пор) пористого тела или частиц раздробленной фазы дисперсной системы.

Удельную поверхность чаще всего определяют по количеству адсорбированного материалом инертного газа и по воздухопроницаемости слоя порошка или пористого материала. Адсорбционные методы позволяют получать наиболее достоверные данные.

Для определения удельной поверхности и распределения пор по радиусам пористых тел по теории БЭТ применяют метод сорбции азота при температуре жидкого азота.

8. Растекание и смачивание. Краевой угол. Влияние ПАВ на смачивание. Адгезия и когезия. Основы флотации.

Смачивание— физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

•                 Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

•                 Контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления(прилипания) молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).

Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:

1.                молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя ртуть на стекле, вода на парафине или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность;

2.                молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность.

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) — это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз.

ПАВ влияет на смачиваемость(лучше).

Флотация —избирательное смачивание. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы минералов избирательно закрепляются на границе раздела фаз, обычно газа и воды, и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. При флотации пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо смачиваемым водой частицам и поднимают их к поверхности.

 9. Адсорбция газов на поверхности твёрдых тел. Природа адсорбционных сил. Основные теории адсорбции

10. Адсорбция газов на поверхности твёрдых тел. Основы мономолекулярной теории Лангмюра. Активные центры поверхности.
11. Адсорбция газов на поверхности твёрдых тел. Основы полимолекулярной теории Поляни. Адсорбционный потенциал.
12. Адсорбция газов на поверхности твёрдых тел. Основы теории БЭТ. Определение удельной поверхности материалов.

Ван-дер-Ваальсовы силы универсальны, поэтому любой газ способен адсорбироваться на любом твердом веществе.

Единой теории, которая достаточно корректно описывала бы все виды адсорбции на разных поверхностях раздела фаз, не имеется;

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра

основывается на следующих положениях:

1) Адсорбция является локализованной и вызывается силами, близкими к химическим.

2) Адсорбция происходит не на всей поверхности адсорбента, а на активных центрах, которыми являются выступы либо впадины на поверхности адсорбента, характеризующиеся наличием т.н. свободных валентностей. Активные центры считаются независимыми (т.е. один активный центр не влияет на адсорбционную способность других), и тождественными.

3) Каждый активный центр способен взаимодействовать только с одной молекулой адсорбата; в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул.

4) Процесс адсорбции является обратимым и равновесным – адсорбированная молекула удерживается активным центром некоторое время, после чего десорбируется; т.о., через некоторое время между процессами адсорбции и десорбции устанавливается динамическое равновесие.

 

Рис. 4.5 Изотерма мономолекулярной адсорбции

 

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра применима для описания некоторых процессов адсорбции газов и растворенных веществ при небольших давлениях (концентрациях) адсорбата.

Теория полимолекулярной адсорбции Поляни

Изотерма полимолекулярной адсорбции

 

основанную на следующих основных положениях:

1. Адсорбция вызвана чисто физическими силами.

2. Поверхность адсорбента однородна, т.е. на ней нет активных центров; адсорбционные силы образуют непрерывное силовое поле вблизи поверхности адсорбента.

3. Адсорбционные силы действуют на расстоянии, большем размера молекулы адсорбата. Иначе говоря, у поверхности адсорбента существует некоторый адсорбционный объём, который при адсорбции заполняется молекулами адсорбата.

4. Притяжение молекулы адсорбата поверхностью адсорбента не зависит от наличия в адсорбционном объеме других молекул, вследствие чего возможна полимолекулярная адсорбция.

5. Адсорбционные силы не зависят от температуры и, следовательно, с изменением температуры адсорбционный объем не меняется

Основные положения теории БЭТ

1. На поверхности адсорбента имеется определенное число активных центров.

2. Взаимодействием адсорбированных молекул в первом и последующих слоях пренебрегают.

3. Каждая молекула первого слоя может стать активным центром для адсорбции образования последующих слоев.

4. Предполагается, что во втором и последующих слоях все молекулы имеют такую же сумму статистических состояний, как и жидкости.

Удельная поверхность — усреднённая характеристика размеров внутренних полостей (каналов, пор) пористого тела или частиц раздробленной фазы дисперсной системы.

Удельную поверхность чаще всего определяют по количеству адсорбированного материалом инертного газа и по воздухопроницаемости слоя порошка или пористого материала. Адсорбционные методы позволяют получать наиболее достоверные данные.

Для определения удельной поверхности и распределения пор по радиусам пористых тел по теории БЭТ применяют метод сорбции азота при температуре жидкого азота.