Одиниці виміру поверхневого натягу
Енергетичного і силовому визначенню поверхневого натягу відповідає енергетична і силова одиниця виміру. Енергетичної одиницею є Дж / м 2. силовий - Н / м. Енергетичне і силове вираз еквівалентні, і чисельна величина збігається в обох размерностях. Так для води при 293 К:
Одна розмірність легко виводиться з іншого:
СІ: Дж / м 2 = Н # 8729; м / м 2 = Н / м;
Вплив різних факторів на величину
Вплив хімічної природи речовини
Поверхневий натяг - робота, що витрачається на розрив міжмолекулярних зв'язків. Тому, чим сильніше міжмолекулярні зв'язки в даному тілі, тим більше його поверхневий натяг на межі з газовою фазою. Отже, поверхневий натяг менше у неполярних рідин, що мають слабкі міжмолекулярні зв'язки, і більше у полярних рідин. Великим поверхневий натяг володіють речовини, що мають міжмолекулярні водневі зв'язки, наприклад вода.
Значення поверхневого натягу і питомої поверхневої енергії деяких речовин на кордоні з повітрям
* - наведені значення питомої поверхневої енергії
З ростом температури відстань між молекулами збільшується, зі збільшенням температури поверхневий натяг індивідуальних рідин зменшується, тобто виконується співвідношення:
Для багатьох рідин залежність # 963; = f (T) близька до лінійної. Екстраполяція лінійної залежності до осі абсцис визначає критичну температуру ТС даної речовини. При цій температурі двухфазная система рідина - пар перестає існувати і стає однофазної.
Для більшості неполярних рідин залежність поверхневого натягу від температури виражається рівнянням:. (9.5) де # 963; Т - поверхневий натяг при будь-якій температурі, # 963; 0 - поверхневий натяг при стандартній температурі, # 916; Т - різниця між даною та стандартної температурою, # 945; - температурний коефіцієнт поверхневого натягу: (9.6)
Для багатьох речовин температурні коефіцієнти поверхневого натягу становлять приблизно від 0,1 до 0,2 мДж / (м 2 К).
Вплив природи межують фаз
Поверхневий натяг (# 963; 12) на кордоні двох рідин 1 і 2 залежить від їх хімічної природи (полярності). Чим більше різниця полярностей рідин, тим більше поверхневий натяг на межі їх розділу (правило Ребиндера).
Кількісно міжфазне поверхневий натяг на межі двох взаємно насичених рідин можна розрахувати по наближеному правилом Антонова.
Правило Антонова (1907): Якщо рідини обмежено розчиняються один в одному, то поверхневий натяг на межі ж1 / ж2 дорівнює різниці між поверхневого натягу взаємно насичених рідин на кордоні їх з повітрям або з їх власним паром:
Змочування - взаємодія рідини з твердим або іншим рідким тілом при наявності одночасного контакту трьох змішуються фаз, одна з яких зазвичай є газом (повітря).
При нанесенні невеликої кількості рідини на поверхню твердого тіла або на поверхню іншої рідини, що має велику щільність, можливо два випадки: в першому випадку рідина набуває форму краплі, в іншому випадку розтікається. Розглянемо перший процес, коли крапля не розтікається по поверхні іншого тіла.
Ріс.9.3.Смачваніе на кордоні розділу трьох фаз
Розглянемо краплю рідини на поверхні твердого тіла в умовах рівноваги. Так як поверхневий натяг можна розглядати як енергію, що припадає на одиницю площі, або як силу, що діє на одиницю довжини, то всі розглянуті складові поверхневої енергії можна виразити за допомогою векторів сил.
На одиницю довжини периметра діють три сили:
1. Поверхнева енергія твердого тіла, прагнучи зменшитися, розтягує краплю по поверхні. Ця енергія дорівнює поверхневому натягу твердого тіла на кордоні з повітрям # 963; ТГ.
2. Поверхнева енергія на кордоні твердого тіла з рідиною # 963; ТЖ прагне стиснути краплю, тобто поверхнева енергія зменшується за рахунок зниження площі поверхні.
3. Поверхнева енергія на кордоні краплі рідини з повітрям # 963; ЖГ спрямована по дотичній до сферичної поверхні краплі.
кут # 952 ;. утворений дотичними до міжфазним поверхонь, які обмежують змочують рідина, і має вершину на лінії розділу трьох фаз, називається крайовим кутом або кутом змочування.
проекція вектора # 963; ЖГ на горизонтальну вісь - твір # 963; ЖГ · cos # 952; .
В умовах рівноваги:
Отримане співвідношення (9.9) називають рівнянням Юнга.
Залежно від значень рівноважного крайового кута, розрізняють три основних види змочування:
Аналіз рівняння Юнга
Приклад: вода на поверхні металу, покритого оксидною плівкою. Чим менше кут # 952; і більше cos # 952 ;. тим краще змочування.
2. Якщо # 963; ТГ <σТЖ . то cos θ <0 и θ> 90 ° (крайовий кут змочування тупий) - незмочування. Приклад: вода на парафіні або тефлоні.
3. Якщо # 963; ТГ = # 963; ТЖ. то cos # 952; = 0 і # 952; = 90 ° - межа між смачиваемостью і Незмочуваність.
4. Якщо. то cos # 952; = 1 і # 952; = 0 ° - повне змочування (розтікання) - крапля розтікається в тонку плівку. Приклад: ртуть на поверхні свинцю, очищеного від оксидної плівки.
Повного несмачіванія, тобто такого становища, коли # 952; = 180 °, не спостерігається, так як при зіткненні конденсованих тіл поверхнева енергія завжди зменшується.
Змочуваність водою деяких твердих тіл характеризується наступними крайовими кутами: кварц - 0 °, малахіт - 17 °. графіт - 55 °, парафін - 106 °. Найгірше змочується водою тефлон, крайовий кут змочування - 120 °.
Різні рідини неоднаково змочують одну і ту ж поверхню. Згідно наближеному правилом - краще змочує поверхню та рідина, яка ближче по полярності до змочують речовини.
По виду виборчого змочування все тверді тіла ділять на три групи:
· Гідрофільні (олеофобним) матеріали - краще змочуються водою, ніж неполярними вуглеводнями: кварц, силікати, карбонати, оксиди і гідроксиди металів, мінерали (крайовий кут менше 90 ° з боку води).
· Гідрофобні (олеофільние) матеріали-краще змочуються неполярними рідинами, ніж водою: графіт, вугілля, сірка, парафін, тефлон.
Приклад 9.1. Визначте крайовий кут змочування, утворений краплею води на твердому тілі, якщо поверхневий натяг на межі повітря тверде тіло, вода-тверде тіло і вода-повітря відповідно рівні: 0,057; 0,020; 0,074 Дж / м 2. Чи буде вода змочувати дану поверхню?
cos # 952; <0 и θ> 90 ° - дана поверхню водою не змочується.
Флотація відноситься до найбільш поширених методів збагачення корисних копалин. Цим методом збагачується близько 90% руд кольорових металів, вугілля, сірка та інші природні матеріали.
Флотаційне збагачення (поділ) засновано на різній змочуваності водою цінних мінералів і порожньої породи. У разі пінної флотації через водну суспензію подрібненої руди (пульпу) барботируют повітря, до бульбашок якого прилипають гідрофобні частинки цінного мінералу (чисті метали або їх сульфіди), спливаючі потім на поверхню води, і з утворилася піною знімаються механічно для подальшої переробки. Порожня порода (кварц, алюмосилікати) добре змочується водою і осідає у флотаційних машинах.
Приклад 9.2. Порошок кварцу і сірки висипали на поверхню води. Яке явище можна очікувати, якщо крайової кут змочування для кварцу 0 °, а для сірки 78 °.
Так як для кварцу # 952; = 0 ° - повне змочування, то кварц буде повністю смачиваться водою і осідати на дно ємності. Крайовий кут змочування для сірки близький до 90 °, отже, порошок сірки буде утворювати суспензію на поверхні води.
Особливості викривленою поверхні розділу фаз
Розглянемо ще одну важливу якість дисперсних систем, пов'язане з роздробленістю - різке збільшення кривизни поверхні частинок в порівнянні з площиною.
За рахунок кривизни поверхні рідкої дисперсної фази виникає надлишкове внутримолекулярное тиск (ріс.9.6):
де - різниця тисків над викривленою поверхнею () і тиском над плоскою поверхнею ().
Рівнодіюча сил поверхневого натягу як векторна величина компенсується силою. яка спрямована до центру частки і перпендикулярна її поверхні. В результаті викривлення поверхні відбувається робота. яка призводить до зменшення обсягу тіла на величину dV. . (9.11)
Рівняння, що зв'язує надмірне внутримолекулярное тиск з радіусом кривизни поверхні r:
· Для сферичної поверхні:
· Для циліндричної поверхні:
· Для частинок довільної форми:
Рівняння (9.12-9.14) являє собою закон капілярного тиску Лапласа для сферичної, циліндричної поверхонь і поверхні довільної форми.
Кривизна поверхні може бути позитивною і негативною. Якщо центр кола знаходиться всередині тіла (рис.9.5), то кривизна поверхні вважається позитивною, тоді> 0 - опукла поверхня, додаткове надлишковий тиск збільшує внутрішній тиск рідини (стискає її). Знак «+» в рівнянні Лапласа для опуклої поверхні: