Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии - Фролов Ю. Г.
Скачать (прямая ссылка):
Равновесные краевые углы, рассчитанные на основе баланса сил, действующих по периметру смачивания, определяются уравнением Юнга (I. 13). Если поверхностное натяжение на границе твердое тело— газ oVr больше, чем поверхностное натяжение на границе твердое тело — жидкость ат-ж, то краевой угол Эр •< 90°, поверхность твердого тела является лиофильной (при смачивании водой — гидрофильной). К материалам с гидрофильной поверхностью относятся, например, кварц, стекло, оксиды металлов. Жидкость не смачивает поверхность, если ат-г < а-г-ж и Эр > 90°. В этом случае поверхность является лио-фобной (гидрофобной). К материалам с гидрофобной поверхностью относятся металлы, у которых поверхность не окислена, большинство полимеров, а также все органические соединения, обладающие низкой диэлектрической проницаемостью.
Явления адгезии и смачивания тесно связаны между собой. Влияние смачивания на адгезионное взаимодействие отражает уравнение (I. 14). Из этого уравнения видно, что чем лучше смачивание (меньше 6р), тем больше работа адгезии. Максимальные значения VFa могут реализоваться лишь при достижении полного смачивания поверхности твердого тела, когда cos 9Р = 1 и Wa = 2ож-г = WK, (где WK — работа когезии для смачивающей жидкости).
Таким образом, смачивающая способность жидкостей и адгезионное взаимодействие их с твердыми телами в основном определяются природой веществ, составляющих контактирующие фазы. Сопоставление уравнений (I. 12) и (I. 14) показывает, что высокая адгезия между фазами может реализоваться лишь при определенном соотношении значений стт-г и стж-г (ovr > аж-гК Решающее значение при этом играет состояние поверхности твердого тела и его поверхностное натяжение.
Природу поверхности твердого тела, а значит, и характер контактного взаимодействия его со смачивающей жидкостью можно изменить путем модифицирования поверхности, например, проводя ее химическую обработку. Один из широко распространенных способов изменения состава поверхностных слоев основан на адсорбции на них поверхностно-активных веществ. Адсорбционное модифицирование твердых поверхностей проводят либо из водных растворов, либо из органических растворителей. В результате адсорбции ПАВ изменяется не только значение 9Р, но и скорость растекания смачивающей жидкости.
Влияние ПАВ на смачивание зависит от того, на какой поверхности раздела фаз они адсорбируются. Молекулы ПАВ могут адсорбироваться как на твердой поверхности, так и на границе раздела жидкость— газ. Если поверхность твердого тела гидрофобная, то из водных растворов ПАВ адсорбируются и на твердой поверхности, и на границе раствор — воздух. На межфазной поверхности молекулы ПАВ располагаются в соответствии с правилом уравнивания полярностей Ребиндера. В результате значения ат-ж и стж.г уменьшаются и согласно уравнению (I. 13) поверхность твердого тела смачивается лучше. С увеличением адсорбции ПАВ твердая поверхность становится менее гидрофобной, происходит так называемая гидрофилизация поверхности.
21
d
S
Рис 5. Схема, поясняющая определение краевых углов:
а. — для углов Э<90°; б — для углов е>90°.
В результате адсорбции ПАВ может вообще произойти переход от несмачивания к сма-
чиванию, т. е. инверсия смачивания. Если поверхность твердого тела гидрофильная, жидкость хорошо смачивает ее и адсорбция ПАВ на ней, как правило, не происходит. В этом случае изменение значений 0Р связано в основном с уменьшением поверхностного натяжения на границе жидкость — газ.
Об изменении характера взаимодействия твердой поверхности со смачивающей жидкостью в результате адсорбции ПАВ можно судить по работе смачивания WCm- Работа смачивания определяется как разность стт-г — стт-ж. Поскольку достаточно надежных методов измерения поверхностного натяжения на границе с твердыми телами нет, для расчета WCM удобнее использовать следующее уравнение:
^см = *ж-г«*ер (1.50)
Нетрудно заметить, что работа смачивания в зависимости от знака косинуса краевого угла может быть либо положительной, либо отрицательной. Отсюда следует, что в зависимости от ориентации молекул ПАВ на межфазной поверхности при адсорбции может измениться не только абсолютная величина работы смачивания, но и ее знак.
Краевой угол, входящий в формулы для расчета работы адгезии и смачивания, находят по основным размерам капель жидкости, наносимых на твердые поверхности: высоте h и диаметру основания d (рис. 5). Значения cos 0 рассчитывают по формуле
„__Q_W2)»-A' \/ (151)
При d/2
(d/2)2 + h2
h можно использовать более простую формулу
cos 9 = 1 —
d/2
(1.52)
Параметры капли к я сі измеряют с помощью установки (рис. 6), основными узлами которой являются катетометр (типа КМ-6), измерительная ячейка-кювета и осветительное устройство, обеспечивающее контрастное изображение капли и исследуемой поверхности.
Измерения проводят следующим образом. Измерительную ячейку — кювету 8 устанавливают на металлический держатель 9. На подставку 16 в ячейке помещают исследуемую пластинку и, повернув тумблер трансформатора 13, включают лампу осветителя 12. Лампу следует включать только на время измерения. Отворачивают винт 2 на задней стороне каретки 4 катетометра и каретку устанавливают таким образом, чтобы объектив 6 находился примерно на уровне пластинки. Закрепив измерительную каретку винта 2, с помощью микрометрического винта 1 проводят более точную установку зрительной трубы 5 по вер-
