2. Поверхностное натяжение и поверхностная энергия. Процессы когезии и адгезии.

Наличие межфазной поверхности предполагает скачок свойств при переходе от одной фазы к другой, что с термодинамической точки зрения соответствует разности энергий фаз. Это означает что межфазная поверхность обладает запасом избыточной энергии по сравнению с объемом фазы. Частицы поверхностного слоя конденсированных фаз обладают свободной энергией незатраченной на межмолекулярное взаимодействие, в отличие от молекул находящихся в объеме фазы, энергия которых полностью тратится на взаимодействие с соседними молекулами.

Соответственно с уменьшением частиц дисперсной фазы доля молекул находящихся на поверхности возрастает и соответственно увеличивается пов. энергия. Т.о. пов. энергия является функцией межфазной поверхности Gs=f(s).

Для установления вида данной зависимости и определения количественной характеристики вводится величина- поверхностное натяжение σ, оно характеризует количество избыточной энергии находящейся на единице поверхности дисперсионной системы. По физическому смыслу пов натяжение- работа,кот необходимо затратить для образования единицы поверхности раздела фаз [дж/м2]. данное определение устанавливает связь со строением веществ. Так с увеличением энергии взаимодействия частиц сост структура данного вещества будет возрастать и величина пов натяжения.

Из физического смысла пов натяжения следует,что оно представляет собой удельную энергию Гиббса поверхности. Тогда избыточная энергия межфазной поверхности дисп системы определяется Gs= σ*S12.

Т.о. в любых гетерогенных системах на поверхности раздела фаз сосредоточена избыточная энергия, количественной характеристикой кот является пов натяжение.

Процессы адгезии.

Наличие на межфазной поверхности дисперсных систем избыточной энергии указывает на принципиальную термодинамическую неустойчивость этих систем, стремящихся тем или иным способом уменьшить величину избыточной энергии. Это самопроизвольное стремление дисп систем уменьшить поверхностную энергию и составляет сущность всех поверхностных явлений. анализ уравнения Gs= σ*S12. показывает что уменьшение пов энергии можно осуществить двумя путями: 1)за счет самопроизвольного уменьшения поверхности раздела фаз.2)За счет уменьшения величины пов натяжения.В соответствии с этим все пов явления подразделяются на –процессы адгезии и процессы адсорбции.Адгезией(прилипанием) называют межфазное взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями тел(фаз)(сварка,спайка). Количественно адгезия характеризуется работой адгезии Wa, это работа обратимого разрыва адгезионной связи отнесенной к единице площади контакта фаз. Для установления взаимосвязи между работой адгезии и поверхностным натяжением предположим, что мы имеем две конденсированные фазы 2,3 и один газообразный(воздух) с поверхностным натяжением этих двух фаз с воздухом соотв равны σ21 и σ31. Поверхность контакта между фазами 2и 3 равна 1м3. при приведении данных фаз в контакт между ними возникает межфазное натяжение σ23 и изменение пов энергии в данной системе описывается уравнением :ΔGs=Gкон-Gнач= σ23-(σ21+ σ31). Т.к. изменение энергии Гиббса это работа совершаемая данной системой, то ΔGs=-WA, тогда WA= σ21+ σ31- σ23 .данное соотношение называется уравнением Дюпрэ и отражает закон сохранения энергии при процессе адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностное натяжение исходных фаз и меньше конечное межфазное натяжение.При описании свойств гетерогенных систем помимо адгезии используют понятие-Когезия. Она характеризует силы межмолекулярного взаимодействия внутри отдельной фазы. Силы когезии определяют возможность веществ и в конденсируемом состоянии. Характеризуется работой когезии WK. Это работа необходимая для обратимого разрыва тела по сечению в 1м2. Из данного опр следует что WK =2σ21 .между какой либо конденсированной фазой и воздухом. Учитывая выражение уравнение Дюпрэ можно записать WK =( WK1+ WK2)/2- σ23 .Прочность адгезионной связи зависит от природы и строения контактирующих фаз.

Смачивание. Смачивание-это поверхностное явление наблюдаемое при взаимодействии трех фаз(одна-газ,две других конденсиров). предположим что на повть ТВ тела 3 с σ31 нанесена капля жидкости 2 с σ21. Тв. тело стремясь уменьшить собственную пов энергию растягивает каплю по поверхности и численно эта энергия равна σ23. межфазное натяжение на границе Т/Ж стремится сжать каплю для уменьшения пов контакта и следовательно своей поверхностной энергии. Кроме этого сжать каплю для уменьшения пов энергии на гр Ж/Г стремится пов натяжение между каплей и воздухом. При равновесии между этими силами выполняется соотношение σ31= σ23+ σ21cosθ. Данное соотношении называется уравнением Юнга. Количественно способность жидкости смачивать тв.тела харся безразмерной величиной cosθ. θ краевой угол смачивания, чем он менььшетем лучше смачивание, Границей между смачиванием и несмачиванием какой либо повтиявляется угол=90.если он >90 то жидкость плохо смачивает поверхность данного тела.Если <90 то поверхнотсь смачивается хорошо.Поверхности кот хорошо смачиваются водой называются гидрофильными, а кот плохо смачиваются гидрофобными.Сопоставив σ31= σ23+ σ21cosθ и WA= σ21+ σ31- σ23 ,WA= σ21(1+ cosθ)- Урнение Дюпрэ Юнга,позволяет рассчитать работу адгезии на основании экспериментальных данных.

Предельным случаем смачивания является растекание жидкости,кот наблюдается когда межмолекулярное взаимодействие внутри жидкости количественно меньше работы адгезии. Количественно способность жидкости к растеканию по данной поверхности харся коэф растекания,кот f=WA-WK. Если f>0,то жидкость растекается по данной поверхности, если F<0 то жидкость не растекается.

Влияние ПАВ на смачивание и гидрофобизацию поверхности. К ПАВ относятся вещества в значительной степени изменяющие поверхностное натяжение , что обусловлено их строением.Основная масса ПАВ находится в поверхностном слое, и введение даже небольших количеств ПАВ приводит к резкому снижению пов натяжения. Пределом снижения поверхностного натяжения является образование пленки ПАВ на поверхности жидкости. За счет применения ПАВ можно изменить природу твердой поверхности. например если гидрофильную поверхность(стекло) обработать водным раствором жирной кислоты то ее молекулы ориентируются полярными группами к поверхности стекла или металла а углеводородные радикалы в воздух и поверхность становится гидрофобной. В результате чего капля воды образует с поверхностью тупой угол и не растекается по данной поверхности( поверхность становится гидрофобной и не смачивается жидкостью.