Адгезия жидкости и смачивание

Адгезия жидкости и смачивание

СМАЧИВАНИЕ явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью тв. тела или др. жидкости. Выражается, в частности, в растекании жидкости по тв. поверхности, находящейся в контакте с газом (паром) или др. жидкостью. С. вызывает образование мениска в капиллярной трубке, определяет форму капли на тв. поверхности или форму газового пузырька на поверхности погружённого в жидкость тела. С. часто рассматривают как результат межмолекулярного взаимодействия в зоне контакта трёх фаз (тел, сред). Однако во мн. случаях, напр. при соприкосновении жидких металлов с тв. металлами, окислами, алмазом, графитом, С. обусловлено не столько межмол. вз-ствием, сколько образованием хим. соединений, твёрдых и жидких р-ров, диффуз. процессами в поверхностном слое смачиваемого тела. В процессе С. может выделяться теплота, наз. теплотой смачивания.

Мерой С. обычно служит краевой  угол (или угол С.) в между смачиваемой  поверхностью и поверхностью жидкости на периметре С. (рис. 1). При статич. (равновесном) С. он связан с поверхностным натяжением жидкости sж, поверхностным натяжением тв. тела sт и межфазным натяжением sтж на границе тв. тело — жидкость ур-нием Юнга: cosq=(sт-sтж)/sж. Величина угла q явл. количеств. хар-кой С. поверхностей по отношению к разл. жидкостям. На лиофильной поверхности жидкость растекается, т. е. имеет место частичное (0°<q90°) (рис. 2). Краевой угол зависит от соотношения сил сцепления молекул жидкости с молекулами или атомами смачиваемого тела (адгезия) и сил сцепления молекул жидкости между собой (когезия).</q

Рис. 1. Капля на тв. поверхности.

Рис. 2. Положение капли (вверху) и пузырька (внизу) на тв. поверхности при разл. условиях смачивания; г — газ; ж — жидкость; т — тв. тело.

Обратимую работу адгезии  и когезии вычисляют соотв. по ур-ниям: Wa=sж(1+cosq) и Wк=2sж, т. е. Wa?Wк. При Wa0°, причём с увеличением отношения Wa/Wк С. улучшается. Часто наблюдаемая задержка в установлении равновесных краевых углов наз. гистерезисом С. Различают кинетич. (динамич.) и статич. гистерезис С. Причиной гистерезиса может быть шероховатость поверхности, особенности структуры поверхностного слоя, релаксац. процессы в жидкой фазе и др. Если тв. тело соприкасается с двумя несмешивающимися жидкостями, происходит избирательное С. Эфф. регуляторы С.— поверхностно-активные вещества, к-рые могут как улучшать, так и ухудшать С.

С. имеет важное значение в пром-сти. Хорошее С. необходимо при крашении и стирке, обработке фотографич. материалов, нанесении лакокрасочных покрытий и др. Снизить С. до минимума стремятся при получении гидрофобных покрытий, гидроизоляц. материалов и др.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров.1983.

СМАЧИВАНИЕ- процессы, происходящие при взаимодействии жидкостис поверхностью тв. тела или др. жидкости и проявляющиеся  в растекании жидкостии формировании площади т. н. адгезионного контакта, возникновении менисковв капиллярных каналах, вытеснении одной жидкости другой, образовании капельжидкости на поверхности или пузырьков в жидкости, в проникновении жидкостив капиллярно-пористые тела. С.- следствие адгезии жидкости к определённойповерхности.

Положение капли жидкости на тв. поверхности определяется поверхностныминатяжениями  жидкости  , тв. тела  и на границе его поверхности с поверхностью жидкости  .В равновесных условиях (т. е. в отсутствие гравитации, капиллярного эффекта, <хим. взаимодействия, диффузии, адсорбции и т. д.) для обратимых процессовоно задаётся ур-нием Юнга: где   -т. н. краевой угол - угол, отсчитываемый от смачиваемой поверхности в сторонусмачивающей жидкости (см. рис. в ст. Краевые углы). С. сопровождаетсятепловыми эффектами, в частности выделяется т. н. теплота С.

Краевой угол  является мерой С., его величина зависит от соотношения между энергиямиадгезии и когезии жидкости. Для тв. смачиваемых поверхностей (лиофильныхили, по отношению к воде, гидрофильных) , для несмачиваемых (лиофобных, гидрофобных) .Неравновесные условия, загрязнения поверхности, повышение темп-ры и др. <факторы исключают возможность полного С. или полного его отсутствия, т. <е. и  . Под внеш. <воздействиями  изменяется, процесс, сопровождающийся его увеличением, наз. лиофобизациейповерхности, уменьшением - её лиофилизацией. С. твёрдых поверхностей повышаетсяпри введении в смачивающую жидкость разл. веществ, напр. поверхностно-активныхвеществ, уменьшается - при нанесении на поверхность гидрофобных покрытийи т. д.

На величину  влияет качество поверхности. Шероховатость лиофильной поверхности улучшаетеё С., а лиофобной - снижает С. Часто наблюдается задержка установлениякраевого угла, наз. гистерезисом С., к-рая появляется при движении капель, <при воздействии внеш. сил, из-за шероховатости поверхности и т. д. Величину6 можно определить, напр., по форме и размеру капель на плоской поверхности, <в капиллярах и на нитях.

С. имеет важное значение в пром-сти. На его изменении основаны мн. технологич. <процессы, флотация, полиграфич. и металлургич. процессы, нефтедобыча, смазка, <окраска, пропитка, стирка и т. д.

Гидрофильные и гидрофобные поверхности

Гидрофильность и гидрофобность (от греч. hydor - вода и philia - любовь или рhobos - боязнь, страх) - характеристики взаимодействия поверхностей в-в (твёрдых тел) с молекулами воды. Г. и г.- частный случай лиофильности и лиофобности - характеристик взаимодействия веществ с молекулами жидкостей разл. полярности, определяющих степень их смачиваемости этими жидкостями. Понятие Г. и г. применяют не только к телам, обладающим поверхностью, но и к отдельным молекулам и ионам.

Гидрофильные в-ва интенсивно взаимодействуют с молекулами воды. Гидрофильность характеризуется величиной адсорбционной связи (см. Адсорбция)B-B с молекулами воды, образованием с ними неопределённых соединений и распределением кол-ва воды по величинам энергии связи. Гидрофильность преимущественно определяется величиной энергии связи адсорбционного монослоя, т. к. последующие слои связаны с в-вом гораздо слабее. Гидрофильность может выражаться теплотой адсорбции водяного пара или теплотой смачивания, а также работой смачивания единицы поверхности в-ва.

Абсолютно гидрофобных ("водоотталкивающих") в-в нет; даже наиболее гидрофобные - углеводородные и фторуглеродные - поверхности адсорбируют воду. Поэтому гидрофобность рассматривают  как малую степень гидрофильности.

Г. и г. могут быть оценены, как и смачиваемость поверхности  водой (в воздушной среде), величиной  угла смачивания q: для гидрофильных поверхностей  <90° (для абсолютно гидрофильных поверхностей q=0); для гидрофобных поверхностей 90°< <180° (напр., для парафина  105°). На трёхфазной границе твёрдого тела с водой и углеводородной жидкостью при  <90° (в водной фазе) поверхность олеофобна, т.е. не смачивается маслом, а при  =180° - предельно олеофильна.

Гидрофильными являются вещества с  полярными хим. связями: галогениды, оксиды и их гидраты, карбонаты, сульфаты, фосфаты, силикаты и алюмосиликаты (глины, стекла), а также клеточные мембраны. Чистые поверхности металлов, углерода, полупроводников, вещества, состоящие из слабо полярных молекул, листья растений, кожа животных, хитиновый покров насекомых гидрофобны. Все полярные группы, входящие в состав молекул ПАВ - поверхностно-активных веществ - COOH, -NH₂,-SO₃Na и др., гидрофильны; связанные с ними углеводородные радикалы - гидрофобны.

Гидрофильность твёрдых тел  может резко понижаться (происходит их гидрофобизация) при адсорбции (особенно при хемосорбции) на их поверхности  молекул ПАВ, ориентированных полярными  группами в сторону поверхности, а углеводородными цепями - в окружающую среду (напр., при адсорбции жирных кислот, их солей и др. органич. ПАВ на поверхности минералов). Обратная ориентация адсорбированных молекул ПАВ приводит к гидрофилизации гидрофобных поверхностей.

Бро́уновское движе́ние —беспорядочное движение микроскопических видимых, взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Броуновское движение никогда не прекращается. Броуновское движение связано с тепловым движением, но не следует смешивать эти понятия. Броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения.

Броуновское движение - наиболее наглядное  экспериментальное подтверждение  представлений молекулярно-кинетической теории о хаотическом тепловом движении атомов и молекул. Если промежуток наблюдения достаточно велик, чтобы силы, действующие на частицу со стороны молекул среды, много раз меняли своё направление, то средний квадрат проекции её смещения на какую-либо ось (в отсутствие других внешних сил) пропорционален времени.

При выводе закона Эйнштейна предполагается, что смещения частицы в любом  направлении равновероятны и  что можно пренебречь инерцией броуновской  частицы по сравнению с влиянием сил трения (это допустимо для достаточно больших времен). Формула для коэффициента D основана на применении Стокса закона для гидродинамического сопротивления движению сферы радиусом а в вязкой жидкости. Соотношения для и D были экспериментально подтверждены измерениями Ж. Перрена (J. Perrin) и T. Сведберга (T. Svedberg). Из этих измерений экспериментально определены постоянная Больцмана k и Авогадро постоянная N_А. Кроме поступательного Броуновского движения, существует также вращательное Броуновского движение - беспорядочное вращение броуновской частицы под влиянием ударов молекул среды. Для вращательного Броуновского движения среднее квадратичное угловое смещение частицы пропорционально времени наблюдения. Эти соотношения были также подтверждены опытами Перрена, хотя этот эффект гораздо труднее наблюдать, чем поступательное Броуновское движение.

Построение классической теории

В 1905 году Альбертом Эйнштейном была создана молекулярно-кинетическая теория для количественного описания броуновского движения.^[2]:13 В частности, он вывел формулу для коэффициента диффузии сферических броуновских частиц^[3]:

где   — коэффициент диффузии,   — универсальная газовая постоянная,   — абсолютная температура,   — постоянная Авогадро,   — радиус частиц,   — динамическая вязкость.

Полимеры. Особенности строения и свойств. Полимеры - это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из повторяющихся структурных элементов - звеньев, соединенных в цепочки химическими связями, в количестве, достаточном для возникновения специфических свойств. К специфическим свойствам следует отнести следующие способности 1. способность к значительным механическим

обратимым высокоэластическим деформациям 2. к образованию анизотропных структур 3. к образованию высоковязких растворов при взаимодействии с растворителем 4. к резкому изменению свойств при добавлении ничтожных добавок низкомолекулярных веществ. Приведенные физико-химические особенности можно объяснить исходя из представления о строении полимеров. Говоря о строении следует подразумевать элементный состав вещества, порядок связи атомов, природу связей, наличие межмолекулярных взаимодействий.

Характерным для полимеров является наличие длинных цепных молекул с резким различием характера связей вдоль цепи и между цепями. Особенно следует отметить, что нет изолированных цепных молекул. Молекула полимера всегда находится во взаимодействии с окружающей средой, могущей иметь как полимерный характер случай чистого полимера, так и характер обычной жидкости разбавленные растворы полимеров. Поэтому для характеристики полимера не достаточно указания типа связей вдоль цепи - необходимо еще

иметь сведения о природе  межмолекулярного взаимодействия. Следует иметь в виду, что характерные свойства полимеров могут быть реализованы только тогда, когда связи вдоль цепи намного прочнее поперечных связей, образующихся вследствие межмолекулярного взаимодействия любого происхождения. Именно в этом и состоит основная особенность строения полимерных тел. Поэтому можно утверждать, что весь комплекс аномальных свойств полимеров определяется наличием линейных

цепных молекул с относительно слабым межмолекулярным взаимодействием. Разветвление этих молекул или соединение их в сетку вносит некоторые изменения в комплекс свойств, но не меняет положения дел по существу до тех пор, пока остаются достаточно длинные цепные линейные отрезки. Напротив, утрата цепного строения молекул при образовании из них глобул или густых сеток приводит к полной утрате всего комплекса характерных для полимеров свойств.

Следствием вышеуказанного является возникновение гибкости цепной молекулы. Она заключается в е  способность изменять форму под  влиянием теплового движения звеньев или внешнего поля, в которое помещен полимер. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы относительно друг друга. В реальных молекулах полимеров валентные углы имеют вполне определнную величину, а звенья расположены не произвольно, и положение каждого последующего звена оказывается зависимым отположения предыдущего. Полимеры, у которых наблюдаются достаточно интенсивные крутильные колебания, называются гибкоцепными, а полимеры, у которых повороты одной части цепи относительно другой затруднены - жесткоцепными. Значит, молекулы могут вращаться и изменять сво строение без разрыва химических связей, образуя различные конформации, под которыми понимают различные пространственные формы молекулы, возникающие при изменении относительной ориентации отдельных е частей в результате внутреннего вращения атомов или групп атомов вокруг простых связей, изгиба связей и др. I