16.2 Поверхневі явища

У гетерогенних системах розрізняють міжмолекулярну взаємодію, що відбувається в межах однієї фази і взаємодію між окремими фазами. Взаємодія атомів і молекул в межах однієї фази називають когезією або зчепленням. Найбільша когезія має місце в твердих тілах, найменша – в газах. Кількісно когезія визначається енергією, що витрачається на розрив тіла по площині рівній 1 м². Через те, що при розриві твердого тіла утворюються дві нові поверхні, площа яких складає дві одиниці, робота когезії дорівнює подвоєному значенню поверхневого натягу на межі тверде тіло-газ: W_к = 2.

Міжмолекулярна взаємодія між двома поверхнями різних тіл, що приведені в контакт називається адгезією або здатністю прилипати. Адгезія буває трьох типів: між твердими поверхнями (Т-Т); між твердою і рідкою поверхнею (Т-Р); між рідкими поверхнями (Р-Р). Адгезія – це самочинний процес. Величина адгезії визначається енергією, що витрачається на подолання сил зчеплення між двома контактуючими поверхнями. Найбільшу адгезію мають фарби, клеї, бетон то що. Розраховують величину адгезії за рівнянням Дюпре:

W_а = _рг + _тг – _тр (16.3)

Співвідношення між роботою когезії та роботою адгезії характеризує таке явище, як розтікання. Явище розтікання має місце при контакті двох рідин. Припустимо, що на поверхню води нанесли краплю якоїсь рідин. Якщо сили притягання між молекулами рідини (когезія) більші, ніж сили притягання між молекулами рідини і води (адгезія), то рідина збереже форму краплі і розтікання не буде. Навпаки, якщо когезія рідини менша за її адгезію по відношенню до води, відбудеться розтікання рідини по поверхні води. Критерієм розтікання є різниця між W_к і W_а. Цю величину називають коефіцієнтом розтікання.

W_р = W_а – W_к (16.4)

На практиці відомо, що рідина, поверхневий натяг якої менший, розтікається по поверхні тієї рідини, поверхневий натяг якої більше. Як правило, неполярні рідини добре розтікаються по поверхні більш полярної. Змочування – це сукупність явищ, що виникають під час контакту твердого тіла та рідини. Якщо краплину рідини нанести на тверду поверхню, то можна спостерігати такі випадки: краплина розтікається по поверхні тонким шаром; краплина частково розтікається по поверхні, утворюючи з нею певний крайовий кут  (рис. 16.2 а); краплина залишається на поверхні у вигляді кульки (рис. 16.2 б). Змочування твердого тіла рідиною має місце у випадку, коли краплина рідини розтікається на його поверхні.

Критерієм, за яким визначають здатність поверхні змочуватися рідиною, є косинус крайового кута cos. Якщо cos 0 – рідина змочує тверду поверхню; якщо cos  0 – змочування не відбувається. Визначають cos за рівнянням Юнга:

, (16.5)

д е _тр,_тг,_рг – поверхневі натяги на межах поділу "тверде тіло-рідина"; "тверде тіло-газ" і "рідина-газ" відповідно.

Рисунок 16.2 – Змочування поверхні твердого тіла краплиною рідини.

Вода і водні розчини змочують речовини з іонним або полярним ковалентним зв’язками. Поверхню таких речовин називають гідрофільною. Речовини, такі як парафін або жири, поверхня яких не змочується водою відносять до гідрофобних. Чим краще розчинник змочує сорбент, тим гірша адсорбція розчинених речовин з цього розчинника. Так, активоване вугілля, яке не змочується водою, є найкращим сорбентом для водних розчинів.

На явищі змочування ґрунтується процес флотації – метод розділення суміші гідрофільного і гідрофобного порошків, який ґрунтується на вибірковому змочуванні їх різними рідинами. Флотація буває двох типів: масляна і пінна.