Связь работы адгезии с краевым углом

Уравнение Дюпре самостоятельно почти не использу­ется для расчета работы адгезии из-за трудности определения поверхностного натяжения твердых тел на границе с газом (воздухом) и жидкостью. Удобную для расчета этой величины форму имеет соотношение, получаемое в результате сочетания уравнения Дюпре с законом Юнга. Если разность σ3,1-σ2,3 в уравнении Дюпре заменить ее выражением из зако­на

Юнга

σ 3,1-σ 2,3=σ 2,1cos θ

Получим

Wa=σ2,1 +σ 2,1 cos θ =σ 2,1 (1+cos θ) (4.1)

или

Wа/σ 2,1= l+ сosq (4.2)

Уравнение (4.1) или (4.2) называют уравнением Дюпре — Юнга; оно связывает работу адгезии с краевым уг­лом и позволяет рассчитать работу адгезии, если известны поверхностное натяжение жидкости и краевой угол. Обе эти величины можно сравнительно легко определить эксперимен­тально.

Из уравнения (4.2) четко видно различие между явлени­ями адгезии и смачивания. Разделив обе части уравнения на 2, получим:

Wа/Wк=(1+ cosq)/2 (4.3)

Так как смачивание количественно характеризуется косинусом краевого угла, то в соответствии с уравнением (4.3) оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии д.ля смачивающей жидкости.

Принципиальное различие между поверхностными явления­ми адгезии и смачивания состоит в том, что смачивание имеет место при наличии трех сопряженных фаз.

Из уравнения (4.3) можно сделать следующие выводы: 1) при q = 0 cosq=l, Wа=

1/2WK,

т.е. работа адгезии равна работе когезии смачивающей жидкости; 2) при q=90° cos q= 0, Wа=Wк, т.е. работа адгезии в два раза меньше работы коге­зии смачивающей жидкости; 3) при q=1800 cosq=-1, Wа = 0, такое состояние на практике не реализуется, поскольку неко­торая адгезия всегда существует, поэтому полного несмачивания в реальных системах также быть не может. Например, одно из самых больших значений краевого угла при смачива­нии водой наблюдается на поверхности фторопласта, соответ­ственно для этой системы характерна и наименьшая адгезия. Учитывая, что краевой угол равен 108, = 72,0 мДж/м2(при 25°С), из уравнения (4.2) получим работу адгезии, равную 50,3 мДж/м2 (cos 108° = —0,31).

Большое практическое значение имеет информация, которую дают уравнения (4.2) и (4.3). Из них следует, что для увеличения смачивания надо увеличить работу адгезии или уменьшить работу когезии (поверхностное натяжение) жид­кости, например, введением ПАВ, изменением температуры. Лучше смачивает та жидкость, которая имеет меньшее поверх­ностное натяжение или работу когезии. Органические жидкос­ти характеризуются низкими поверхностными натяжениями и поэтому смачивают большинство поверхностей разной природы. Так, углеводороды, для которых d=17—28 мДж/м2, смачивают почти все известные твердые тела. Вода смачивает только по­лярные вещества, а ртуть плохо смачивает или не смачивает большинство (особенно неметаллических) тел.

Адгезия в значительной степени определяется природой функциональных групп молекул контактирующих веществ. На­пример, близкие значения работы адгезии к воде имеют соеди­нения с одинаковыми функциональными группами (в двухфаз­ных системах жидкость — жидкость), изовалериановая (94,6 мДж/м) и гептиловая (94,8 мДж/м2) кислоты, бензол, толуол (66,6 мДж/м2). Это свидетельствует об ориентировании молекул в поверхностном слое при адгезии. На границе разде­ла фаз в сторону воды обращены гидрофильные группы ука­занных соединений, и они почти полностью обеспечивают адге­зию к воде. Разность между работой адгезии к воде и работой когезии контактирующей с ней жидкости может служить мерой полярности и гидрофильности последней. Например, для непо­лярных гексана и толуола эта разность соответственно равна 3,3 и 6,8 мДж/м2, а для таких полярных соединений, как октиловый спирт и гептиловая кислота, соответственно 36,8 н 38,2 мДж/м2.

Copyright © 2024 - All Rights Reserved - www.chemicalnow.ru