Межфазная поверхность Молекулярные взаимодействия Поверхностные явления Поверхностная энергия (поверхностное натяжение). Термодинамика поверхностных явлений. Адгезия, растекание, смачивание

1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
И ОСОБЫЕ СВОЙСТВА
ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ФАЗ
Котиков Дмитрий Анатольевич
Доцент кафедры физической химии
Белорусского государственного университета
кандидат химических наук, доценткандидат химических наук, доцент

2. • Межфазная поверхность
• Молекулярные взаимодействия
• Поверхностные явления
• Поверхностная энергия (поверхностное натяжение).
• Термодинамика поверхностных явлений.
• Адгезия, растекание, смачивание

3. АДГЕЗИЯ. РАСТЕКАНИЕ. СМАЧИВАНИЕ.
dG ds sd= σ + σ
Поверхностные явления
ds < 0, σ = const
•сферическая форма капель
•коагуляции
•коалесценции
•изотермическая перегонка
•рекристаллизация
dσ < 0, s =(≠) const
•адгезия
•смачивание
•растекание
•адсорбция
dG < 0

4. Когезия
(от лат. cohaesus – сцепленный)
внутрифазное взаимодействие
Притяжение атомов и молекул
внутри отдельной фазы
Адгезия
(от лат. adhaesio – прилипание)
межфазное взаимодействие
Взаимодействие между приведенными
в контакт поверхностями
конденсированных фаз разной природы
(
Смачивание и растекание – это адгезионные
взаимодействия между жидким и твердым или
жидким и жидким телами.
• склеивание материалов
• нанесение лаков, красок, металлических покрытий
• печать
• крашение
Атомы металла
Молекулы краски

5. 2
1
1
1
1
3
1
3
2σ12
σ12
σ12
σ32
σ13
Схема, иллюстрирующая понятия когезии и адгезии
Когезия Адгезия
Работа (энергия) когезии (Wк) – работа,
необходимая для разрыва однородной
объемной конденсированной фазы
Wразр = –Wк = –∆Gк
∆Gк = Gкон – Gнач = σ12 + σ12 – 0 = 2σ12;
Wразр = –Wа = –∆Gа,
∆Gнач = σ13;
∆Gкон = σ32 + σ12 – σ13;
∆Gа = Gкон – Gнач = σ32 + σ12 – σ13;
Работа (энергия) адгезии (Wа) – работа,
необходимая для разрыва адгезионного
слоя
Wк = 2σ12
Wа = σ32 + σ12 – σ13
уравнение Дюпре

6. Смачивание – разновидность адгезии, относящаяся к
взаимодействию типа ЖТ.
Контактное Иммерсионное
Дифференциальная теплота смачивания – это теплота, которая выделяется при нанесении на
поверхность при данной степени ее заполнения бесконечно малого количества жидкости. Это
характеристика поля поверхностных сил.
Интегральная теплота смачивания – теплота, которая выделяется при нанесении
определенного количества жидкости на единицу площади поверхности.
Ребиндер: критерий гидрофильности поверхности твердого тела - отношение
удельных теплот смачивания поверхности водой и каким-либо углеводородом. Чем
больше теплота смачивания, тем сильнее взаимодействие.
воды
УВ
1
q
q
〈 поверхность гидрофобна
поверхность гидрофильна
воды
УВ
1
q
q
〉
Вещество
Коэффициент
гидрофильности
Крахмал
Кварц
Активированный уголь
20,0
2,0
0,4

7. Поведения капли жидкости на поверхности твердого тела при контакте с
газовой фазой
ЖГ
Т
σтг σтж
σжг
θ
∆G = 0, G= Gmin - состояние равновесия (p, T = const)
ТГ ТЖ ЖГ cosσ = σ + σ θ уравнение Юнга
Реально: ϴ < 180o
Wа > 0

8. aТГ ЖГ ЖТW = σ + σ − σ
2к ЖГW = σ
ТГ ТЖ ЖГ cosσ = σ + σ θ
( )к
a 1 cos
2
W
W = + θ
2
cos а к
к
W W
W
−
θ =
Уравнение Дюпре-ЮнгаУравнение ЮнгаУравнение Дюпре
ЖГ
Т
σтг σтж
σжг
Система «твердое тело – газ – жидкость»

9. Растекание – распределения жидкости по поверхности другой
жидкости или твердого тела.
2
cos а к
к
W W
W
−
θ = Уравнение Дюпре-Юнга
cos 90o
= 0
cos 0o
= 1
cos 180o
= –1
поверхностные пленки!
Wа > 0
Как увеличить смачивание?

10. p aкf W W W= = −
Работа растекания (Wр) = коэффициент растекания ( f )
Бензол Ж1
Вода Ж2
aЖ Г Ж Г Ж Ж
1 2 1 2
W = σ + σ − σ
к Ж Г
1
2σW =
aк Ж Г Ж Г Ж Ж
2 1 1 2
f W W −= − = σ σ − σ
Ж Ж Ж Г Ж Г
1 2 2 1
σ = σ − σf=0
Правило Антонова
( )Ж Г Ж Г
1 2
<σ σ
Взаимно насыщенные
жидкости

11. Ж Ж Ж Г Ж Г
1 2 2 1
σ = σ − σ
Хорошо выполняется для систем «органическая жидкость-вода»!

12. Реальные тела не идеально гладкие и однородные!
На угол θ влияют:
• Загрязнения
• Адсорбированные слои
• Химическая неоднородность
• Пленка оксидов
ист
ш
ид
S
k
S
=
( )aш ТГ ЖТ ЖГW k= σ − σ + σ
Шероховатость
поверхности
(микрогеометрия)
Увеличение смачиваемости!
Гистерезис смачивания
• Капля жидкости на
поверхности твердого
тела - пузырек воздуха
при контакте с теми же
жидкостью и твердым
телом
• Химическая
неоднородность
• Загрязнения
• Микрогеометрия
• Наклонная поверхность
• Тонкие смачивающие
пленки
сильный
гистерезис!
растворение