2.3.4. Связь между работой адгезии и краевым углом смачивания
Вычисление работы адгезии по уравнению Дюпре (36) вызывает затруднения, так как поверхностные натяжения и экспериментально определить сложно. Преобразуем:
.
Преобразуем уравнение Юнга (38)
,
подставив в предыдущее уравнение, получаем
.
(39)
С помощью полученного уравнения можно легко рассчитать работу адгезии, так как и можно экспериментально измерить.
3. Электрические свойства дисперсных систем. Электрокинетические явления
3.1. Возникновение электрического заряда на поверхности раздела фаз
Условием равновесия в гетерогенной системе при является равенство химических потенциалов каждого из компонентов во взаимодействующих фазах:
,
где
– компонент;
– номер взаимодействующей фазы.
Химический потенциал выражается уравнением:
.
В случае рассмотрения явлений, связанных с возникновением электрического потенциала, данное уравнение необходимо дополнить еще одним слагаемым:
,
где
– заряд
го
компонента системы;
– число Фарадея;
– потенциал поверхности со стороны
одной из фаз.
Так как вероятность равенства
всех общих компонентов в двух фазах в
момент их контакта ничтожно мала, то в
системе будет самопроизвольно протекать
процесс выравнивания химических
потенциалов, в результате чего на
поверхности раздела фаз возникнет
скачок потенциала или электрический
заряд.
Лекция 9
Известно, что в ДС самопроизвольно идут процессы, приводящие к снижению нескомпенсированной поверхностной энергии. Выясним, как влияет заряд поверхности на свободную поверхностную энергию, которую выражают уравнением:
.
(3)
При
и равновесии (
),
уравнение примет вид:
.
(*)
Проинтегрируем
и продифференцируем уравнение по всем переменным:
.
(**)
Вычтем из уравнения (**) уравнение (*):
,
преобразуем
,
где
– удельный заряд поверхности (заряд
единицы поверхности) или плотность
заряда.
Тогда получаем
.
(40)
Уравнение Липпмана (40) связывает удельную свободную поверхностную энергию ( ) с параметрами, характеризующими заряд поверхности: и электрическим потенциалом . Из (40) следует, что возникновение заряда на поверхности сопровождается снижением поверхностного натяжения.
Поскольку в соответствии с уравнением (8)
(8)
при неизменной площади раздела фаз
снижение
приводит к уменьшению
,
то появление электрического заряда на
поверхности, сопровождающееся уменьшением
поверхностного натяжения и свободной
поверхностной энергии, – процесс
самопроизвольный и относится к
поверхностным явлениям.
Механизмы возникновения электрического заряда на поверхности дисперсной фазы.
1. Избирательная адсорбция ионов из раствора на поверхности раздела фаз.
а) Избирательная адсорбция ионов, способных достраивать кристаллическую решетку частицы дисперсной фазы. В соответствии с правилом Панета – Фаянса на поверхности твердой частицы избирательно адсорбируются ионы, которые способны достроить ее кристаллическую решетку (входят в состав кристаллической решетки или изоморфные с ними).
Например, если в водном растворе
диспергированы частицы
,
будет наблюдаться адсорбция ионов
и поверхность частиц приобретет
отрицательный заряд (рис. 27а).
б) Избирательная адсорбция ионов
без достройки кристаллической решетки.
Наблюдается в случае присутствия в
растворе ионов
и
,
обладающих высокой адсорбционной
способностью. Например, возникновение
электрического потенциала на поверхности
раздела парафин – водный раствор щелочи
(рис. 27б).
2. Диссоциация поверхностных молекул твердой частицы (один из ионов переходит в раствор).
Например, выщелачивание стекла (вымывание из него кальция):
.
В результате стекло с течением времени приобретает отрицательный заряд. По этой причине все породы (земля, песок, глина) несут отрицательный заряд.
Ионы, создающие заряд на поверхности, называют потенциалопределяющими ионами. Вблизи поверхности раздела фаз концентрируются ионы противоположного знака – противоионы. Возникает двойной электрический слой (ДЭС), состоящий из потенциалопределяющих ионов и эквивалентного количества противоионов, полностью компенсирующих заряд поверхности.
Наличие ДЭС вблизи межфазной поверхности способствует протеканию электрокинетических явлений: электрофореза, электроосмоса, потенциалов течения и седиментации.