ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Классификация основных случаев смачивания из "Физико-химические основы смачивания и растекания" Влияние физико-химических факторов на смачивание во многом зависит от природы сил взаимодействия между жидкостью и твердым телом. Роль этих сил выявляется особенно отчетливо, если использовать представление о работе адгезии Wa (см. 1.2). В соответствии с уравнением (1.18) равновесный краевой угол 9о определяется соотношением работы адгезии и поверхностного натяжения жидкости 0жг на границе с окружающей средой os 0о= = (W a — Стжг)/(7)кг. Отсюда следует, что смачивание, т. е. образование острых краевых углов, возможно при условии W a Тжг. При Wa Ожг смачивание отсутствует (0о 90°). [c.79] Чтобы сопоставить работу адгезии с характером сил взаимодействия между жидкостью и твердым телом, рассмотрим следующую приближенную схему. Пусть каждая частица твердого тела (молекула, ион, атом) взаимодействует только с одной частицей жидкой фазы. Тогда число связей между частицами твердой и жидкой фаз на единице смоченной площади равно числу частиц на единице площади твердого тела Пт = 1/ ( 7 — площадь, приходящаяся на одну частицу). Энергия одной связи Мтж = W a/пт, а в расчете на 1 моль энергия взаимодействия фаз 7тш= зЛ а/Ят, где Na — число Авогадро. Объем поверхностного слоя толщиной в одну молекулу равен 1/п (также в расчете на единицу площади). С другой стороны, этот же объем равен Л1тПт/ртЛ а, где Мт и Рт — молекулярная масса и плотность твердого тела. Отсюда /гт = = (РтЛ а/Мт) Ч следователъпо,и = WIN 1 [3]. [c.79] Для жидкостей с поверхностным натяжением менее 100 мДж/м (вода, водные растворы, органические растворители, сжиженные газы, расплавы некоторых щелочных галогенидов и т. д.) условие смачивания Wa 0жг будет выполняться, когда энергия взаимодействия и ТУК составляет несколько единиц кДж/моль. Такие сравнительно небольшие энергии характерны для молекулярных сил [31, 109]. Следовательно, смачивание твердых тел жидкостями с низким поверхностным натяжением может быть обеспечено молекулярными силами. [c.79] Если адгезия между жидкостью и твердой или жидкой подложкой осуществляется только за счет молекулярных сил, то по аналогии с физической адсорбцией смачивание можно рассматривать как обратимый процесс. [c.80] Принципиально иная ситуация возникает при контакте твердых тел с жидкостями с высоким поверхностным натяжением — от нескольких сотен до нескольких тысяч мДж/м (большинство жидких металлов, расплавы многих солей и окислов и т. д.). Энергия взаимодействия Утж, необходимая для смачивания такими жидкостями, составляет десятки и сотни кДж/моль. Столь высокие значения характерны для химических взаимодействий с образованием ионных, ковалентных и металлических связей [31, 109]. В таких системах важную роль играют процессы массопереноса через поверхность раздела фаз, образование твердых и жидких растворов, химические реакции и другие необратимые процессы [3]. По аналогии с хемосорбцией смачивание, сопровождаемое образованием химических связей, следует рассматривать как необратимый процесс. [c.80] Влияние многих физико-химических факторов на смачивание в значительной степени зависит от того, к какой группе относится та или иная система. Например, для систем с преобладанием химических связей характерна сильная зависимость краевых углов от температуры, а именно, часто выявляется порог смачивания. При нагреве выше пороговой температуры краевой угол резко уменьшается вследствие значительного возрастания работы адгезии. [c.80] Смачивание жидкостями с высоким поверхностным натяжением обычно носит специфический характер, т. е. данная жидкость может смочить лишь такие вещества, при контакте с которыми возникают силы химического взаимодействия. Поэтому при анализе влияния физико-химических факторов на смачивание в системах с химическим взаимодействием нужно учитывать константы равновесия химических реакций, различие химических потенциалов компонентов в твердой и жидкой фазах и другие химические факторы. [c.80] НИИ удельной свободной поверхностной энергии твердых тел [4, 27, 33]. В этом плане различают две группы. [c.81] Достоинство этой классификации заключается в том, что она облегчает подбор смачивающих жидкостей в зависимости от природы твердого тела. Вместе с тем при изучении смачивания низкоэнергетических твердых тел выявлены полуэмпирические закономерности, на основе которых можно достаточно надежно прогнозировать влияние поверхностного натяжения жидкости на краевые углы, определять поверхностное натяжение твердого тела, при котором происходит переход от ограниченного смачивания к полному, и проводить некоторые полезные расчеты [4, 27, 33]. [c.81] Еще один принцип классификации заключается в разделении систем на равновесные и неравновесные [3]. [c.81] В равновесных системах твердая фаза и контактирующая с ней жидкость еще до начала контакта находятся в химическом равновесии или, по крайней мере, весьма близки к нему. Пример равновесной системы — контакт чистой жидкости с чистым твердым телом при отсутствии взаимной растворимости и образования химических соединений. К числу равновесных относятся многие системы, в которых жидкость имеет низкое поверхностное натяжение (вода, органические вещества). Основной процесс, который происходит 1юсле соприкосновения жидкости с подложкой, — это изменение площадей контакта между фазами вследствие уменьшения общей поверхностной энергии системы (т. е. собственно процесс смачивания). Отклонения краевых углов от равновесных значений вызываются обычно гистерезисными явлениями. Поэтому в равновесных системах смачивание можно характеризовать как краевым углом натекания, так и краевым углом оттекания, а при определенных условиях нужно привлекать оба угла (см. гл. И). [c.81] Взаимодействие твердого тела и жидкости (в особенности, химические реакции) может значительно снизить межфазное поверхностное натяжение (по сравнению с исходным состоянием), способствуя тем самым хорошему смачиванию. Считается, что протекание химической реакции представляет необходимое условие смачивания во многих системах, например при контакте жидких металлов с неметаллическими материалами [3, 111, 112]. [c.82] Если процесс взаимодействия твердой и жидкой фаз протекает стационарно (при постоянной разности химических потенциалов Л(х компонентов в обеих фазах), уменьшение межфазногоповерхностного натяжения прямо пропорционально А л [ИЗ]. Отсюда следует, что в системах, в которых компоненты твердого тела ограниченно растворимы в жидкости, а жидкость совершенно нерастворима в твердой фазе, на кривой Отж = f(0 ( — время контакта фаз) должен быть минимум. Если же на поверхности раздела фаз образуются химические соединения с точкой плавления выше температуры контакта, то реализуется только начальный участок этой кривой дальнейшие изменения межфазного поверхностного натяжения резко тормозятся, так как диффузия компонентов через промежуточный слой твердой прослойки протекает весьма медленно [3, 113]. [c.82] Изменения свойств фаз, происходящие в неравновесных системах, носят необратимый характер. Поэтому, в отличие от равновесных систем, реальный физический смысл здесь имеют, как правило, только краевые углы натекания. [c.82] Вернуться к основной статье