Коллоидная химия. Шпаргалка - С. Егоров

Pσ = H(ρ1 – ρ11)g,

где r1, r11 – плотности жидкости и ее насыщенного пара; g – ускорение свободного падения; H – высота подъема жидкости.

Кривизна поверхности жидкости в капилляре может определяться условиями смачивания, т. е. значениями краевого угла Θ. Высота капиллярного поднятия жидкости может определяться по формуле Жюрена:

H = Pσ / (ρ1 – ρ11)g.

Из уравнения Жюрена следует, что чем лучше жидкость смачивает стенки капилляра, тем выше происходит поднятие жидкости в капилляре при данном значении напряжения.

Если происходит несмачивание поверхности, жидкость способна образовывать некий выпуклый капиллярный мениск, этому условию будет отвечать повышение давления в жидкости под поверхностью самого мениска, и вместо поднятия жидкости происходит опускание жидкости.

Смачивание идет с уменьшением поверхностной энергии, при котором выделяется теплота. При лучшем смачивании твердого тела жидкостью теплота смачивания повышается. Метод капиллярного поднятия жидкости основан на рассмотренной выше формуле Жюрена.

При этом используют достаточно тонкие капилляры, что необходимо для обеспечения сферической поверхности мениска, но использование капилляров, которые смачиваются хорошо, позволяет избежать всех неувязок, которые могут возникать при определении краевого угла.

Существуют также полустатические методы определения поверхностного натяжения на границе жидкости.

Такое условие возможно при нарушении равновесия системы. Но при исследовании каждой новой системы необходим новый подбор оптимальных скоростей приближения к состоянию равновесия.

Этот процесс необходим, чтобы измерения не были очень долгими, т. к. для установления равновесия в системе требуется время.

Во всех методах используют приближенные значения и сравнивают с полученными данными для другой жидкости, для которой значение поверхностного натяжения известно с высокой точностью.

26. Поверхностные силы второго рода и расклинивающее давление. Линия трехфазного контакта (линия смачивания)

В дисперсных системах частицы могут оставаться разделенные прослойками среды, или может происходить т. н. полное вытеснение последних. Прорыв прослойки может означать возникновение контакта для твердых частиц и полное слияние, которое будет происходить для капелек и пузырьков. При этом устойчивость прослоек дисперсионной среды может существенно изменяться под действием поверхностно-активных веществ.

Изменение энергии системы, когда происходит изменение толщины пленки, может рассматриваться как результат действия в этой пленки некоторого довольно избыточного давления.

Расклинивающее давление – это избыточное давление, которое необходимо применить к поверхностям, ограничивающим, в свою очередь, тонкую пленку, причем толщина пленки должна оставаться постоянной или может быть изменена в процессе, который термодинамически выгоден.

Расклинивающее давление было принято рассматривать как некоторое избыточное давление со стороны прослойки на ограничивающие ее поверхности и стремящееся как бы раздвинуть их. Расклинивающее давление может быть положительным препятствовать утончению пленки, и отрицательным, которое способствует ее утончению. Если средой, где возникает такое давление, является воздух, то расклинивающее давление отрицательное. Также можно упомянуть о составляющих расклинивающего давления. Молекулярная составляющая способствует сближению частиц и может нарушать агрегативную устойчивость дисперсных систем.

Ионно-электростатическая составляющая является лучшим примером стабилизации дисперсных систем.

Смачивание – самопроизвольный процесс, идущий с уменьшением поверхностной энергии. Поэтому при смачивании выделяется теплота. Чем лучше твердое тело смачивается жидкостью, тем выше теплота смачивания. Тепловой эффект, сопровождающий соприкосновение жидкости со смачиваемой поверхностью, называется теплотой смачивания. Мерой смачивания является краевой угол смачивания Θ между смачиваемой поверхностью и раствором. В зависимости от значения краевого угла различают следующие случаи.

1. Θ > 90°, краевой угол тупой, наблюдается плохое смачивание поверхности.

2. Θ < 90°, краевой угол острый, происходит ограниченное смачивание поверхности.

3. Равновесное значение краевого угла не устанавливается, происходит растекание капли в тонкую пленку – случай полного смачивания поверхности. Формулу для вычисления краевого угла можно представить следующим образом:

cosΘ = δтг – δтж / δжг,

где представленные параметры – это коэффициенты поверхностного натяжения на различных границах.

Критическое поверхностное натяжение смачивания будет равно поверхностному натяжению жидкости, при котором происходит переход значения от ограниченного смачивания к полному.

Вычисленное значение краевых углов, которое найдено для критического поверхностного натяжения может быть использовано для оценки поверхностного натяжения низкоэнергетических твердых тел.

При смачивании неполярной поверхности неполярной жидкостью поверхностные фазы будут определяться дисперсионными составляющими. В таких условиях значение критического поверхностного натяжения может быть близко к критическим значениям поверхностной энергии.

27. Использование ПАВ (вытеснение нефти, течение в невесомости и др.)

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) очень энергично используются в процессах смачивания поверхности и имеют достаточно широкое применение.

При использовании поверхностно-активных веществ модифицированные поверхности твердых тел могут широко применяться для регулирования поверхностных свойств наполнителей резин, синтетических полимеров и других практически важных полимеров.

При смачивании раствором поверхностно-активного вещества происходит изменение параметров краевого угла, что важно учитывать, если необходимо получение более точных результатов. Этим и объясняется понижение поверхностного натяжения. Нанесение поверхностно-активных веществ на гидрофобизирующие слои используется для избежания, а также предотвращения слеживания мелкопористых порошков, для защиты металлов от коррозии.

Введение поверхностно-активных веществ в водные растворы и некоторые виды эмульсии может быть применено при обработке растений ядохимикатами. Эти процессы связаны с тем, что поверхность листьев гидрофобна и поэтому для улучшения прилипания химикатов к листьям необходима т. н. гидрофилизация листьев.

Поверхностно-активные вещества могут быть добавлены к клеевым составляющим. Добавки поверхностно-активных веществ могут улучшать смачивание поверхностей при тушении пожаров (в частности, если горят болота, в которых присутствуют торфяные залежи).

Это объясняется тем, что поверхность торфяных болот гидрофобна и вода без добавления поверхностно-активных веществ не будет впитываться в торфяные залежи. Водные растворы смачивающих жидкостей используются для уменьшения пыли в шахтах.

Также гидрофилизация поверхности может быть необходима при нанесении светочувствительных материалов при проявлении фотографии.

Добыча нефти также невозможна без использования смачивающих поверхностей, которые получаются при использовании поверхностно-активных веществ.

Для улучшения степени добывания нефти из пород применяют заводнение контурное: в ряд скважин, которые окружают основную, начинает закачиваться вода, растворы поверхностно-активных веществ, которые способствуют улучшению смачивания поверхности пород водой.

Это способствует оттеснению нефти к основной скважине, и тем самым улучшается выход нефти. Также процесс смачивания поверхности применяется при приготовлении маслянистых красок, переводе некоторых пигментов в масляную фазу.

Процесс смачивания используется в приготовлении текстильных вспомогательных веществ, которые, в свою очередь, используются на многих стадиях переработки натуральных и синтетических волокон. В эти процессы входят отмывка сырой шерсти, смягчение тканевых покрытий.

Используют смачивание поверхности при нанесении рисунка на ткань, крашении ткани, также нанесении антистатической поверхности и гидрофобизирующих веществ на ткань, т. е. поверхности, которая препятствует электризации ткани и водоотталкиванию от ткани. Еще одним из основных способов применения процессов смачивания является процесс флотации, который используется для обогащения природных материалов.