МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

И ОСОБЫЕ СВОЙСТВАПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ФАЗ

Котиков Дмитрий Анатольевич

Доцент кафедры физической химииБелорусского государственного университета

кандидат химических наук, доценткандидат химических наук, доцент

• Межфазная поверхность• Молекулярные взаимодействия• Поверхностные явления• Поверхностная энергия (поверхностное натяжение).• Термодинамика поверхностных явлений.• Адгезия, растекание, смачивание

АДГЕЗИЯ. РАСТЕКАНИЕ. СМАЧИВАНИЕ.

dG ds sd

Поверхностные явления

ds < 0, σ = const•сферическая форма капель•коагуляции•коалесценции•изотермическая перегонка•рекристаллизация

dσ < 0, s =(≠) const•адгезия•смачивание•растекание•адсорбция

dG < 0

Когезия(от лат. cohaesus – сцепленный) внутрифазное взаимодействие

Притяжение атомов и молекул внутри отдельной фазы

Адгезия(от лат. adhaesio – прилипание) межфазное взаимодействие

Взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсированных фаз разной природы(

Смачивание и растекание – это адгезионные взаимодействия между жидким и твердым или жидким и жидким телами.

• склеивание материалов• нанесение лаков, красок, металлических покрытий • печать• крашение

Атомы металла

Молекулы краски

211

1

1

3

1

3

2σ12

σ12

σ12

σ32

σ13

Схема, иллюстрирующая понятия когезии и адгезии

Когезия Адгезия

Работа (энергия) когезии (Wк) – работа, необходимая для разрыва однородной объемной конденсированной фазы

Wразр = –Wк = –∆Gк

∆Gк = Gкон – Gнач = σ12 + σ12 – 0 = 2σ12;

Wразр = –Wа = –∆Gа,

∆Gнач = σ13;

∆Gкон = σ32 + σ12 – σ13;

∆Gа = Gкон – Gнач = σ32 + σ12 – σ13;

Работа (энергия) адгезии (Wа) – работа, необходимая для разрыва адгезионного слоя

Wк = 2σ12

Wа = σ32 + σ12 – σ13

уравнение Дюпре

Смачивание – разновидность адгезии, относящаяся к взаимодействию типа ЖТ.

Контактное Иммерсионное

Дифференциальная теплота смачивания – это теплота, которая выделяется при нанесении на поверхность при данной степени ее заполнения бесконечно малого количества жидкости. Это характеристика поля поверхностных сил.

Интегральная теплота смачивания – теплота, которая выделяется при нанесении определенного количества жидкости на единицу площади поверхности.

Ребиндер: критерий гидрофильности поверхности твердого тела - отношение удельных теплот смачивания поверхности водой и каким-либо углеводородом. Чем больше теплота смачивания, тем сильнее взаимодействие.

воды

УВ

1q

q поверхность гидрофобна

поверхность гидрофильнаводы

УВ

1q

q

ВеществоКоэффициент

гидрофильностиКрахмал

КварцАктивированный уголь

20,02,00,4

Поведения капли жидкости на поверхности твердого тела при контакте с газовой фазой

ЖГ

Т

σтг σтж

σжг

θ

∆G = 0, G= Gmin - состояние равновесия (p, T = const)

ТГ ТЖ ЖГ cos уравнение Юнга

Реально: ϴ < 180o

Wа > 0

a ТГ ЖГ ЖТW

2к ЖГW ТГ ТЖ ЖГ cos к

a 1 cos2

WW

2cos а к

к

W W

W

Уравнение Дюпре-ЮнгаУравнение ЮнгаУравнение Дюпре

ЖГ

Т

σтг σтж

σжг

Система «твердое тело – газ – жидкость»

Растекание – распределения жидкости по поверхности другой жидкости или твердого тела.

2cos а к

к

W W

W

Уравнение Дюпре-Юнга

cos 90o = 0cos 0o = 1cos 180o = –1

поверхностные пленки!

Wа > 0

Как увеличить смачивание?

p a кf W W W

Работа растекания (Wр) = коэффициент растекания ( f )

Бензол Ж1

Вода Ж2a Ж Г Ж Г Ж Ж1 2 1 2

W

к Ж Г1

2σW

a к Ж Г Ж Г Ж Ж2 1 1 2

f W W

Ж Ж Ж Г Ж Г1 2 2 1

f=0

Правило Антонова

Ж Г Ж Г1 2

Взаимно насыщенныежидкости

Ж Ж Ж Г Ж Г1 2 2 1

Хорошо выполняется для систем «органическая жидкость-вода»!

Реальные тела не идеально гладкие и однородные!

На угол θ влияют: 

• Загрязнения• Адсорбированные слои

• Химическая неоднородность• Пленка оксидов

истш

ид

Sk

S

a ш ТГ ЖТ ЖГW k

Шероховатость поверхности(микрогеометрия)Увеличение смачиваемости!

Гистерезис смачивания

• Капля жидкости на поверхности твердого тела - пузырек воздуха при контакте с теми же жидкостью и твердым телом

• Химическая неоднородность

• Загрязнения• Микрогеометрия• Наклонная поверхность• Тонкие смачивающие

пленки

сильныйгистерезис!

растворение