Определение удельной поверхности твердого адсорбента
жүктеу/скачать 0,6 Mb.
|
Лабораторный перевод-20
- Бұл бет үшін навигация:
- 4. ИССЛЕДОВНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА СМАЧИВАНИЕ И АДГЕЗИЮ Адгезия
| Отчет по работе:
По результатам эксперимента построить график зависимости σ=f(CПАВ). Путем экстраполяции начального участка полученной кривой найти значение ККМ. 4. ИССЛЕДОВНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА СМАЧИВАНИЕ И АДГЕЗИЮ Адгезия – это взаимодействие молекул разных фаз. Количественно адгезия оценивается работой адгезии, которая соответствует работе, затрачиваемой на разрыв межфазного соединения и приходящейся на единицу площади поверхности. Ее можно рассчитать по уравнениям: Wa = σж-г + σт-г - σж-т (4.1) Wa = σж-г (1+ cos) (4.2) Смачивание количественно характеризуют краевым углом или cos . Краевой угол определяется как угол между касательной, проведенной к поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твердого тела, при этом он всегда отсчитывается от касательной в сторону жидкой фазы. Касательную проводят через точку соприкосновения трех фаз. Различают равновесные и неравновесные краевые углы. Равновесные краевые углы θр определяются только значениями поверхностных натяжений на границах раздела всех трех фаз. Равновесию отвечает минимум поверхностной энергии Гиббса системы, поэтому для каждой системы при данный внешних условиях θр имеет только одно значение. (рис. 4.1). Неравновесных краевых углов может быть множество, так как они измеряются в условиях отклонения системы от состояния термодинамического равновесия. Явление смачивания протекает с участием трех объемных фаз, разделенных тремя поверхностными слоями. Для каждой границы раздела фаз характерна определенная величина поверхностного натяжения: σтг, σтж , σжг.. Поведение капли жидкости на поверхности твердого тела зависит от соотношений поверхностных натяжений. 1) Если σтг > σтж то происходит самопроизвольное растекание жидкости – происходит замена поверхности с большей свободной энергией на поверхность с меньшей свободной энергией, т.е. уменьшение запаса энергии в системе. При значениях (σтг - σтж) приблизительно равных σжг происходит остановка процесса растекания капли (рис. 4.1, а). Условием неограниченного растекания (полного смачивания) является неравенство (σтг - σтж) > σжг . 2) Если σтг < σтж, то растекание капли по поверхности твердого тела не происходит (рис 4.1, б). а-смачивание б-несмачивание Рис. 4.1. Поведение капли на твердой поверхности Как уже было сказано выше, мерой смачивания является равновесный угол смачивания . Угол определяется как угол между касательной, проведенной к поверхности капли и поверхностью твердого тела. Угол смачивания отсчитывается в сторону жидкой фазы. В состоянии равновесия выполняется условие: σт-г - σт-ж = σж-г ·cos (4.3) отсюда
Уравнение (4.4) определяет условия смачивание и является математическим выражением закона Юнга. При σтг >σтж, cos > 0, < 90°(смачивание), а при σтг < σтж, cos < 0, > 900(несмачивание). Если поверхностное натяжение на границе твердого тела – газ σтг больше, чем поверхностное натяжение на границе твердое тело – жидкость, то краевой угол θр < 90°, поверхность твердого тела является лиофильной (при смачивании водой - гидрофильной). К материалам с гидрофильной поверхностью относятся, например, кварц, стекло, оксиды металлов. Жидкость не смачивает поверхность, если σт-г < σт-ж и р > 900. В этом случае поверхность является лиофобной (гидрофильной) . К материалам с гидрофильной поверхностью относятся металлы, у которых поверхность не окислена, большинство полимеров, а также все органические соединения, обладающие низкой диэлектрической проницаемостью. Явления адгезии и смачивания тесно связаны между собой. Влияние смачивания на адгезионное взаимодействие отражает уравнение (4.2). Из этого уравнения видно, что чем лучше смачивание (меньше θр), тем больше работа адгезии. Максимальные значения Wа могут реализоваться лишь при достижении полного смачивания поверхности твердого тела, когда cosθр=1 и Wа=2 σж-г = Wк, (где Wк- работа когезии для смачивающей жидкости). Таким образом, смачивающая способность жидкостей и адгезионное взаимодействие их с твердыми телами в основном определяются природой веществ, составляющих контактирующие фазы. Сопоставление уравнений (4.1) и (4.2) показывает, что высокая адгезия между фазами может реализоваться лишь при определенном соотношении значений σт-г и σж-г (σт-г > σж-г). Решающее значение при этом играет состояние поверхности твердого тела и его поверхностное натяжение. Природу поверхности твердого тела, а значит, и характер контактного взаимодействия его со смачивающей жидкостью можно изменить путем модифицирования поверхности, например, проводя ее химическую обработку. Один из широко распространенных способов изменения состава поверхностных слоев основан на адсорбции на их поверхности – активных веществ. Адсорбционное модифицирование твердых поверхностей проводят либо из водных растворов, либо из органических растворителей. В результате адсорбции ПАВ изменяется не только значение θр, но и скорость растекания смачивающей жидкости. Влияние ПАВ на смачивание зависит от того, на какой поверхности раздела фаз они адсорбируются. Молекулы ПАВ могут адсорбироваться как на твердой поверхности (из водных растворов ПАВ), так и на границе раствор – воздух. На межфазной поверхности молекулы ПАВ располагаются в соответствии с правилом уравнивания полярностей Ребиндера. В результате значения σт-ж и σж-г уменьшаются и согласно уравнению (4.3) поверхность твердого тела смачивается лучше. С увеличением адсорбции ПАВ твердая поверхность становится менее гидрофобной, происходит так называемая гидрофилизация поверхности. В результате адсорбции ПАВ может вообще произойти переход от несмачивания к смачиванию, т.е инверсия смачивания. Если поверхность твердого тела гидрофильная, жидкость хорошо смачивает ее и адсорбция ПАВ на ней, как правило, не происходит. В этом случае изменение значений θр связано в основном с уменьшением поверхностного натяжения на границе жидкость – газ. Об изменении характера взаимодействия твердой поверхности со смачивающей жидкостью в результате адсорбции ПАВ можно судить по работе смачивания Wсм. Работа смачивания определяется как разность σт-г-σт-ж. Поскольку достаточно надежных методов измерения поверхностного натяжения на границе с твердыми телами нет, для расчета Wсм удобнее использовать следующее уравнение: Wсм = σж-г·cosθр (4.5) Нетрудно заметить, что работа смачивания в зависимости от знака косинуса краевого угла может быть либо положительной, либо отрицательной. Отсюда следует, что в зависимости от ориентации молекул ПАВ на межфазной поверхности при адсорбции может измениться не только абсолютная величина работы смачивания, но и ее знак. Смачивание можно регулировать с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ). Степень изменения угла смачивания зависит от природы и концентрации ПАВ, природы твердой поверхности. Для гидрофильных поверхностей характерно сначала увеличение краевого угла с ростом концентрации ПАВ, а с дальнейшим увеличением концентрации снижение краевого угла. Такое изменение краевого угла связано с адсорбцией молекул ПАВ на поверхности твердого тела. При этом в случае гидрофильной поверхности адсорбированные молекулы ПАВ ориентируются своими полярными группами в сторону поверхности, а углеводородными концами в водную фазу. Происходит гидрофобизация гидрофильной поверхности, следовательно, и увеличение . При дальнейшем значительном повышении концентрации ПАВ в растворе на поверхности может образоваться второй слой адсорбированных молекул ПАВ, обращенных друг к другу неполярными радикалами, и поверхность снова становится гидрофильной (рис.4.2 а). а б Рис.4.2. Схема ориентации дифильных молекул ПАВ на границе раздела твердое тело – жидкость: а)гидрофильная поверхность; б)гидрофобная поверхность В случае гидрофобных поверхностей (тефлон, парафин) с увеличением концентрации ПАВ происходит уменьшение краевого угла за счет адсорбции ПАВ на поверхности и ориентации их молекул наполярными радикалами к поверхности и, а полярными группами в водную фазу (рис.4.2б). Изотермы смачивания для гидрофобных поверхностей аналогичны изотермам поверхностного натяжения данного ПАВ. На рис.4.3 приведены типичные изотермы смачивания твердых поверхностей различной природы. Рис.4.3. Изотермы смачивание гидрофильных (1,2) и гидрофобных (3,4) поверхностей растворами ПАВ жүктеу/скачать 0,6 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|