Межмолекулярные взаимодействия. Когезия, адгезия, смачивание, растекание

 

В гетерогенных системах различают межмолекулярные взаимодей- ствия внутри фаз и между фазами.

Когезия – притяжение атомов или молекул внутри отдельной фазы, обусловленное межмолекулярными и межатомными взаимодействиями различной природы.

Р а б о т а когезии (W K) – работа, затрачиваемая на обратимый изо- термический разрыв тела по сечению, равному единице площади по- верхности. Так как при разрыве образуется поверхность в две единицы площади, то работа когезии равна удвоенному значению поверхностно- го натяжения жидкости на границе с газом:

W K   = 2s  Ж Г.                          (21.1)

Адгезия (прилипание, склеивание) – возникновение механической прочности при контакте поверхностей двух разных веществ.

Причиной  адгезии является  молекулярное притяжение контакти- рующих веществ или их химическое взаимодействие. Термодинамиче- ской характеристикой адгезии служит работа адгезии.

Р а б о т а адгезии (W А) – работа, которую необходимо совершить для разделения двух контактирующих фаз. Работу адгезии рассчитыва- ют по уравнению Дюпре:

1

2

1  2

W А   = s  Ж Г

Ж Ж

s

1                    2                    1  2

+ s  Ж  Г

- s  Ж Ж  ,                     (21.2)

где:

s  Ж Г,

s  Ж  Г,

– поверхностные натяжения жидкостей

на границе с газом и межфазное натяжение на границе раздела двух жидкостей.

 

 

Растекание одной жидкости по поверхности другой

Согласно правилу Гаркинса, растекание одной жидкости по по-

верхности другой происходит, если прилипание между двумя жидко- стями больше, чем сцепление растекающейся жидкости.

При W A – W K > 0 происходит растекание, при W A – W K < 0, рас- текание не происходит.

Количественно растекание характеризуется коэффициентом рас- текания ( j  ):

1

2

1  2

j = W A   - W K

= s Ж Г

- s Ж  Г

- s  Ж Ж  .      (21.3)

Если j >0, то происходит растекание, если j <0, то растекание не происходит.

 

 

Смачивание

Смачивание (адгезия жидкости) – поверхностное явление, заклю-

чающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким веществом при наличии одновременного контакта трех несмешиваю- щихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздух).

При нанесении небольшого количества жидкости на поверхность

твердого тела или на поверхность другой жидкости, имеющей большую плотность, возможны два случая: в первом случае жидкость растекается

- смачивает поверхность (рис.21.1), в другом случае приобретает фор-

му капли - наблюдается явление несмачивания (рис.21.2).

 

Рис.21.1. Капля жидкости смачивает

поверхность (смачивание)

Рис.21.2. Капля жидкости не смачивает

поверхность (несмачивание)

 

Мерой смачивания является краевой угол смачивания (θ), образу- емый твердой поверхностью и касательной, проведенной в точку сопри- косновения трех фаз.

В состоянии равновесия все три силы (σТГ, σТЖ, σЖГ) должны урав- новешивать друг друга.

 

Вместо σЖГ берут ее проекцию на плоскость σЖГ·cos θ.

Тогда: σТГ  = σТЖ + σЖГ·cos θ. Отсюда:

 

cosq

=   s   ТГ  - s   ТЖ

s  ЖГ

 

 

.                           (21.4)

Полученное соотношение (21.4) называют законом Юнга.

Из закона Юнга следует что, изменяя поверхностное натяжение, можно управлять смачиванием:

1. Если σТГ  > σТЖ,  то cos θ > 0  и   θ < 90° - поверхность смачива- ется данной жидкостью.

2. Если σТГ  < σТЖ, то  cos θ < 0  и   θ > 90° - поверхность данной жидкостью не смачивается.

3. Если  σТГ = σТЖ, то cos θ = 0  и   θ = 90° - граница между смачи- ваемостью и несмачиваемостью.

Полного несмачивания, т.е. такого положения, когда краевой угол

равен 180°, практически никогда не наблюдается, так как при соприкос- новении конденсированных тел поверхностная энергия всегда уменьша-

ется.

Различные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверх- ность. Согласно приближенному правилу – лучше смачивает поверх- ность та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веще- ству.

Для сравнительной оценки смачиваемости поверхностей различ- ными жидкостями обычно проводят сопоставление с водой. По виду из- бирательного смачивания все твердые тела делят на группы:

· гидрофильные (олеофобные) материалы – лучше смачиваются водой, чем неполярными жидкостями: кварц, силикаты, карбонаты, оксиды и гидроксиды металлов, минералы.

· гидрофобные (олеофильные) материалы - лучше смачиваются непо- лярными жидкостями, чем водой: графит, уголь, сера, органические

соединения с большим содержанием углеводородных групп.

 

Смачивание сопровождается уменьшением поверхностной энергии и в процессе смачивания выделяется тепло. Теплота смачивания может характеризовать способность жидкости смачивать поверхность твердого тела (являться мерой гидрофильности поверхности), если нельзя опре- делить краевой угол смачивания.

Для сравнительной оценки лиофильных свойств твердой фазы ис- пользуют   коэффициент  фильности   (β), который  равен  отношению

Н   2 О

удельных теплот смачивания водой

Q с м а ч и в а н и я

и неполярной органиче-

 

Q

:

ской жидкостью

орг с м а ч и в а н и я

 

Q

Н 2 О

=

b

   смачивания

Q

орг с м а ч и в а н и я

 

 

.                        (21.5)

Для гидрофильной поверхности   β > 1, для гидрофобной β < 1.

При ограниченной растворимости жидкостей друг в друге и при отсутствии между ними химических реакций, поверхностное натяжение на границе раздела фаз подчиняется правилу Антонова (1907).

Правило Антонова: если жидкости ограниченно растворимы друг в друге, то поверхностное натяжение на границе Ж 1 / Ж 2 равно разности между поверхностными натяжениями взаимно насыщенных жидкостей

на границе их с воздухом или с их собственным паром:

1     2

1

2

s  Ж   / Ж

= s  Ж   / Г

- s  Ж   / Г.                       (21.6)

 

 

Примеры решения задач

 

П р имер 21.1

Вычислите поверхностное натяжение на границе раздела бензол

- вода после взбалтывания бензола с водой и разделения фаз. Поверх- ностное натяжение бензола и воды на границе с воздухом соответствен- но равны 0,0288 и 0,0727 Дж/м2.

Р ешение:

Вычислим поверхностное натяжение на границе раздела двух

жидкостей по правилу Антонова:

1     2

1

2

s  Ж   / Ж

= s  Ж   / Г

- s  Ж   / Г

= 0,0727 - 0,0288 = 0,0439 Дж/м2.

 

П р имер 21.2

Вычислите коэффициент растекания и определите, будет ли гек-

сан растекаться по поверхности воды, если работа когезии для гексана равна 0,0328 Дж/м2, а работа адгезии гексана к воде равна 0,0401 Дж/м2?

Р ешение:

Вычислим коэффициент растекания по правилу Гаркинса:

j = W A – W K = 0,0401 - 0,0328 = 0,0073 Дж/м2 >0, следовательно

гексан будет растекаться по поверхности воды.

 

П р имер 21.3

Вычислите коэффициент растекания для октана при 20°С. По-

верхностное натяжение воды, октана и межфазное натяжение соответ- ственно равны: 0,0728, 0,0218 и 0,0486 Дж/м2. Будет ли октан растекать- ся по поверхности воды?

Р ешение:

Вычислим коэффициент растекания по правилу Гаркинса:

1

2

Ж  Г

j = s  Ж Г

- s  - s

Ж  Ж

1  2

j = 0,0728 - 0,0218 - 0,0486 = 0,0024 Дж/м2 > 0, следовательно,

октан будет растекаться по поверхности воды.

 

 

П р имер 21.4

Теплота  смачивания  твердой  поверхности  водой  составляет

85,415 кДж/кг, а бензолом равна 30,948 кДж/кг. Является ли данная по- верхность гидрофильной?

Р ешение:

Н   2 О

b =

Qсмачивания

Q

орг с м а ч и в а н и я

=  8 5, 42

30,95

 

= 2,76

 

> 1 ,  следовательно,  данная  поверх-

ность является гидрофильной.

Задачи для самостоятельного решения

 

1. Вода взболтана с бензольным раствором амилового спирта. Найдите поверхностное натяжение  на границе раздела фаз, если по- верхностное натяжение бензольного раствора спирта и воды на границе с воздухом соответственно равны 0,0414 и 0,0727 Дж/м2.

 

2. По коэффициенту растекания определите, будет ли растекаться сероуглерод СS 2   по воде, если работа когезии для сероуглерода равна

0,0628 Дж/м2, а работа адгезии сероуглерода к воде равна 0,0558 Дж/м2.

 

3. Теплота смачивания угля водой равна 24,685 кДж/кг, а бензолом

66,946 кДж/кг. Является ли данная поверхность гидрофильной?

 

4. Вычислите коэффициент растекания для хлороформа при 20°С. Поверхностное натяжение воды, хлороформа и межфазное натяжение соответственно равны: 0,0728,  0,0273  и 0,0277 Дж/м2. Будет ли хлоро- форм растекаться по поверхности воды?

 

5. Определите поверхностное натяжение водного раствора NaCl, если после взбалтывания его с бензолом межфазное натяжение состав- ляет 0,0454 Дж/м2. Поверхностное натяжение бензола на границе с воз- духом составляет 0,0288 Дж/м2.

 

6. Вычислите коэффициент растекания по воде для бензола и ани- лина, если работа когезии для бензола равна 0,0577 Дж/м2, для анилина равна 0,0832 Дж/м2, а работы адгезии соответственно равны 0,0666 и

0,1096 Дж/м2. Объясните различие в коэффициентах растекания.

 

7. Теплота смачивания силикагеля водой составляет 38,074 кДж/кг, а бензолом равна 18,410 кДж/кг. Является ли данная поверхность гид- рофильной?

 

8. Вычислите коэффициент растекания олеиновой кислоты по по- верхности воды при 20°С. Поверхностное натяжение воды, кислоты и межфазное  натяжение  соответственно  равны:  0,0728,  0,0323  и

0,0160 Дж/м2. Будет ли кислота растекаться по поверхности воды?

 

9. Определите поверхностное натяжение водного раствора сахаро- зы, если после взбалтывания его с бензолом межфазное натяжение со-

 

ставляет 0,0439 Дж/м2. Поверхностное натяжение бензола на границе с воздухом равно 0,0288 Дж/м2.

 

10. Взяты вещества: гептан и гептиловая кислота. Какое из них бу- дет лучше растекаться по воде, если работы когезии соответственно равны:  0,0402  и  0,0556 Дж/м2,  а  работы  адгезии  равны:  0,0419  и

0,0948 Дж/м2. Объясните различие в коэффициентах растекания.

 

11. Коэффициент фильности дисперсной фазы β = 3,5, а теплота смачивания ее водой равна 100,498 кДж/кг. Определите теплоту смачи- вания данного вещества бензолом. Является ли данная поверхность гидрофильной?

 

12. Будет  ли  растекаться  йодбензол  по  поверхности  воды  при

16,8°С, если поверхностное натяжение воды, йодбензола и межфазное натяжение соответственно равны: 0,0733, 0,0403, 0,0457 Дж/м2?

 

13. Найдите поверхностное натяжение на границе раздела гексан – вода после взбалтывания гексана с водой и разделения фаз. Поверх- ностное натяжение гексана и воды на границе с воздухом соответствен- но равны 0,0184 и 0,0727 Дж/м2.

 

14. Взяты вещества: йодистый этил и гептиловая кислота. Какое из них будет лучше растекаться по воде, если работы когезии соответ- ственно равны: 0,0498 и 0,0556 Дж/м2, а работы адгезии равны: 0,0637 и

0,0948 Дж/м2. Объясните различие в коэффициентах растекания.

 

15. Теплота смачивания силикагеля водой равна 38,074 кДж/кг, а гексаном равна 18,420 кДж/кг. Является ли данная поверхность гидро- фобной?

 

16. Будет ли растекаться бензол по поверхности воды при 20°С, если поверхностное натяжение воды, бензола и межфазное натяжение соответственно равны: 0,0728, 0,0288, 0,0351 Дж/м2?

 

17. Определите поверхностное натяжение водного раствора бута- нола, если после взбалтывания его с бензолом межфазное натяжение со- ставляет 0,0355 Дж/м2. Поверхностное натяжение бензола на границе с воздухом равно 0,0288 Дж/м2. Как введение в водный раствор бутанола влияет на поверхностное натяжение воды?

18. Взяты вещества: йодистый этил и анилин. Какое из них будет лучше растекаться по воде, если работы когезии соответственно равны:

0,0498 и 0,0832 Дж/м2, а работы адгезии равны: 0,0637 и 0,1096 Дж/м2?

 

19. Теплота смачивания угля водой равна 24,685 кДж/кг, а гекса- ном составляет 67,000 кДж/кг. Является ли данная поверхность гидро- фильной?

 

20. Будет ли растекаться гексан по поверхности воды при 20°С, ес- ли поверхностное натяжение воды, гексана и межфазное натяжение со- ответственно равны: 0,0728, 0,0184, 0,0471 Дж/м2.

 

21. Найдите поверхностное натяжение на границе раздела хлоро- форм – вода после взбалтывания хлороформа с водой и разделения фаз. Поверхностное натяжение хлороформа и воды на границе с воздухом соответственно равны 0,0271 и 0,0727 Дж/м2.

 

22. Взяты вещества: бензол и гептиловая кислота. Какое из них бу- дет лучше растекаться по воде, если работы когезии соответственно равны:  0,0577  и  0,0556 Дж/м2,  а  работы  адгезии  равны:  0,0666  и

0,0948 Дж/м2. Объясните различие в коэффициентах растекания.

 

23. Теплота смачивания графита водой равна 6,285 кДж/кг, а бен- золом составляет 6,704 кДж/кг. Является ли данная поверхность гидро- фильной?

 

24. Будет ли сероуглерод растекаться по поверхности воды при

20°С, если поверхностное натяжение воды, сероуглерода и межфазное натяжение соответственно равны: 0,0728, 0,0323, 0,0475 Дж/м2?

 

25. Гексан взболтан с водным раствором изопропилового спирта. Найдите межфазное натяжение на границе раздела фаз, если поверх- ностное натяжение водного раствора спирта и гексана на границе с воз- духом соответственно равны 0,0695 и 0,0184 Дж/м2.

 

26. Взяты вещества: сероуглерод и гептиловая кислота. Какое из них будет растекаться по воде, если работы когезии соответственно равны:  0,0628  и  0,0556 Дж/м2,  а  работы  адгезии  равны:  0,0558  и

0,0948 Дж/м2. Объясните различие в коэффициентах растекания.