Т – твёрдая фаза, Ж – жидкая фаза, Г – газ). [2, стр. 66].Величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз определяет такое важное свойство жидкостей и расплавов, как смачивающая способность. Степень смачивания определяется соотношением величин поверхностного натяжения соприкасающихся фаз. Способность к смачиванию характеризуется так называемым краевым углом смачивания (рис. 2). Краевым углом смачивания твёрдой фазы жидкой (расплавом) называется угол, образованный поверхностью твёрдой фазы и касательной к поверхности жидкой фазы, проведенной из точки соприкосновения трёх фаз – жидкой (капля расплава), твёрдой (твёрдая поверхность) и газообразной (газовая атмосфера) и замеренный в жидкой фазе. Краевой угол смачивания ϴ служит мерой смачивающей способности расплава или жидкости. При ϴ < 90° (т.е. при остром угле) расплав смачивает твёрдую поверхность, а при ϴ > 90° (т.е. при тупом угле) – не смачивает. Чем больше краевой угол смачивания, тем хуже смачивание, и наоборот. Величина краевого угла смачивания зависит, прежде всего, от природы соприкасающихся фаз и температуры (обратная зависимость). Следует, однако, иметь в виду, что в статических условиях эта величина зависит и от ряда других факторов, например размера капли, шероховатости твёрдой поверхности, времени соприкосновения фаз и т.д. Условия равновесия на границе трёх фаз определяются уравнением: ϭТГ = ϭТЖ + ϭЖГcosϴ, где ϭТГ – поверхностное натяжение на границе твёрдая фаза – газ; ϭТЖ – поверхностное натяжение на границе твёрдая фаза – жидкость; ϭЖГ – поверхностное натяжение на границе жидкость – газ; ϴ – краевой угол смачивания. Из приведенного уравнения следует:
Соответственно, смачивание поверхности твёрдого тела жидкостью будет тем лучше, чем больше поверхностное натяжение на границе твёрдое тело – газ (ϭТГ) и меньше на границах твёрдое тело – жидкость (ϭТЖ) и жидкость – газ (ϭЖГ), т.е. при увеличении cosϴ и уменьшении угла ϴ. Равновесная форма капли на поверхности твёрдого тела соответствует минимальной поверхностной энергии всех присутствующих фаз. Если энергия поверхности раздела твёрдая фаза – жидкость велика, капля стремится принять форму шара, чтобы уменьшить поверхность соприкосновения этих фаз. Если же велика энергия поверхности раздела твёрдая фаза – газ, капля стремится растечься по возможно большей площади, чтобы устранить эту поверхность. Образно говоря, вектор ϭТГ стремится как бы растянуть каплю по поверхности твёрдого тела (рис. 2), т.е. улучшить смачивание, а векторы ϭТЖ и ϭЖГ – как бы сжать каплю, придать ей сферическую форму, т.е. ухудшить смачивание. При ϴ = 0° (cosϴ = 1) имеют место абсолютное смачивание предельное растяжение жидкости по поверхности твёрдой фазы, при этом ϭТГ = ϭТЖ + ϭЖГ. Абсолютное несмачивание отвечает значению ϴ = 180° (cosϴ = – 1), при этом ϭТГ = ϭТЖ – ϭЖГ. Краевой угол, равный 90° (cosϴ = 0), является граничным углом между смачиванием и несмачиванием, при этом ϭТГ = ϭТЖ. Поверхностные свойства растворов. Поверхностные свойства растворов отличаются от поверхностных свойств чистых жидкостей прежде всего тем, что состав поверхностного слоя в той или иной степени отличен от состава внутренних слоёв раствора. Поверхностное натяжение раствора может сильно зависеть от состава поверхностного слоя, и самопроизвольно протекающим процессом будет увеличение содержания в поверхностном слое того из компонентов раствора, от прибавления которого уменьшается поверхностное натяжение и тем самым понижается общий изобарный потенциал системы. Этому процессу противодействует процесс диффузии, обусловленный тепловым движением молекул, способствующий выравниванию концентраций по всем участкам раствора. В результате этих двух противоположно направленных процессов и достигается равновесие. При равновесии различие между составом поверхностного слоя и составом раствора в целом тем больше, чем больше различаются компоненты по своему влиянию на поверхностное натяжение. Компонентом, уменьшающим поверхностное натяжение раствора, большей частью является тот, который в чистом состоянии обладает меньшим поверхностным натяжением. В подавляющем большинстве случаев (по крайней мере в тех системах, в которых не происходит образования соединений между компонентами) кривые, выражающие зависимость поверхностного натяжения на границе раздела раствор – газ от состава имеют вид кривой 1 (рис. 3). Прибавление к данному веществу компонента, обладающего бóльшим поверхностным натяжением, даже при сравнительно высоких концентрациях не вызывает значительного изменения поверхностного натяжения. Но Различают положительную адсорбцию, когда содержание растворённого вещества в поверхностном слое становится выше, чем во внутренних слоях раствора, и отрицательную – в обратных случаях. Вещества, сильно уменьшающие поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными веществами. Мерой поверхностной активности обычно принимают . При повышении температуры усиливается тепловое движение молекул и, следовательно, уменьшается адсорбция. Наряду с рассмотренным типичным случаем зависимости поверхностного натяжения от состава известны сравнительно нередкие случаи, когда те или иные осложнения в структуре раствора (образование соединений между компонентами и др.) приводят к различным отклонениям, которые иллюстрируются кривыми 2, 3 и 4 на рис. 3.
ЛИТЕРАТУРА 1. Киреев В.А.; Краткий курс физической химии; изд. 4-е, доп. и перераб.; 2. Рабухин А.И., Савельев В.Г.; Физическая химия тугоплавких
[1] Адиабатными называют процессы, при которых система не принимает и не отдаёт теплоты, хотя может быть связана с окружающей средой работой, получаемой от неё и совершаемой над ней [1, стр. 180]. [2] Лебедев Александр Алексеевич (26.XI.1893–15.III.1969). Советский физик. [3] Френкель Яков Ильич (10.II.1894–23.I.1952). Советский физик-теоретик. [4] Ньютон Исаак (4.I.1643–31.III.1727). Выдающийся английский учёный. [5] Поверхностное натяжение можно иначе определить как величину работы, необходимой для увеличения поверхности, отнесенную к 1 см2 поверхности. Вне системы СИ величину поверхностного натяжения выражают в дин/см или в эрг/см2. 1 дин/см = 1 эрг/см2 = 1·10–3 Н/м. [1, стр. 355].
|