Единицы измерения поверхностного натяжения

Энергетическому и силовому определению поверхностного натяжения соответствует энергетическая и силовая единица измерения. Энергетической единицей является Дж/м², силовой – Н/м. Энергетическое и силовое выражение эквивалентны, и численная величина совпадает в обеих размерностях. Так для воды при 293 К:

Одна размерность легко выводится из другой:

СИ: Дж/м² = Н∙ м/м² =Н/м;

Влияние различных факторов на величину

Поверхностного натяжения

Влияние химической природы вещества

Поверхностное натяжение – работа, затрачиваемая на разрыв межмолекулярных связей. Поэтому, чем сильнее межмолекулярные связи в данном теле, тем больше его поверхностное натяжение на границе с газовой фазой. Следовательно, поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей, имеющих слабые межмолекулярные связи, и больше у полярных жидкостей. Большим поверхностным натяжением обладают вещества, имеющие межмолекулярные водородные связи, например вода.

Таблица 9.1

Значения поверхностного натяжения и удельной поверхностной энергии некоторых веществ на границе с воздухом

Вещество	Т, К	σ ·10³Дж/м²	Вещество	Т, К	σ ·10³Дж/м²
Гелий (ж)		0, 22	Серебро (ж)
Бензол		28, 2	^*Серебро (т)
Муравьиная к-та		36, 3	^*Железо (т)
Вода		71, 96	^*Вольфрам (т)
Ртуть		473, 5	^*Алмаз

^* – приведены значения удельной поверхностной энергии

Влияние температуры

С ростом температуры расстояние между молекулами увеличивается, с увеличением температуры поверхностное натяжение индивидуальных жидкостей уменьшается, то есть выполняется соотношение:

Для многих жидкостей зависимость σ =f(T) близка к линейной. Экстраполяция линейной зависимости к оси абсцисс определяет критическую температуру Т_С данного вещества. При этой температуре двухфазная система жидкость – пар перестает существовать и становится однофазной.

Рис.9.2.Влияние температуры на величину поверхностного натяжения

Для большинства неполярных жидкостей зависимость поверхностного натяжения от температуры выражается уравнением:

, (9.5) где σ _Т – поверхностное натяжение при любой температуре, σ ₀ – поверхностное натяжение при стандартной температуре, Δ Т – разность между данной и стандартной температурой, α – температурный коэффициент поверхностного натяжения:

(9.6)

Для многих веществ температурные коэффициенты поверхностного натяжения составляют примерно от –0, 1 до –0, 2 мДж/(м²К).

Влияние природы граничащих фаз

Поверхностное натяжение (σ ₁₂) на границе двух жидкостей 1 и 2 зависит от их химической природы (полярности). Чем больше разность полярностей жидкостей, тем больше поверхностное натяжение на границе их раздела (правило Ребиндера).

Количественно межфазное поверхностное натяжение на границе двух взаимно насыщенных жидкостей можно рассчитать по приближенному правилу Антонова.

Правило Антонова (1907): Если жидкости ограниченно растворимы друг в друге, то поверхностное натяжение на границе ж₁/ж₂ равно разности между поверхностными натяжениями взаимно насыщенных жидкостей на границе их с воздухом или с их собственным паром:

. (9.7)

Смачивание

Смачивание – взаимодействие жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся 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, возможно два случая: в первом случае жидкость приобретает форму капли, в другом случае растекается. Рассмотрим первый процесс, когда капля не растекается по поверхности другого тела.

Рис.9.3.Смачвание на границе раздела трех фаз

Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твердого тела в условиях равновесия. Так как поверхностное натяжение можно рассматривать как энергию, приходящуюся на единицу площади, или как силу, действующую на единицу длины, то все рассмотренные составляющие поверхностной энергии можно выразить с помощью векторов сил.

На единицу длины периметра действуют три силы:

1. Поверхностная энергия твердого тела, стремясь уменьшиться, растягивает каплю по поверхности. Эта энергия равна поверхностному натяжению твердого тела на границе с воздухом σ _ТГ.

2. Поверхностная энергия на границе твердого тела с жидкостью σ _ТЖ стремится сжать каплю, то есть поверхностная энергия уменьшается за счет снижения площади поверхности.

3. Поверхностная энергия на границе капли жидкости с воздухом σ _ЖГ направлена по касательной к сферической поверхности капли.

Угол θ , образованный касательными к межфазным поверхностям, ограничивающим смачиваемую жидкость, и имеющий вершину на линии раздела трех фаз, называется краевым углом или углом смачивания.

Проекция вектора σ _ЖГ на горизонтальную ось – произведение σ _ЖГ · cos θ .

В условиях равновесия:

σ _ТГ= σ _ТЖ + σ _ЖГ·cos θ , (9.8)

отсюда:

. (9.9)

Полученное соотношение (9.9) называют уравнением Юнга.

В зависимости от значений равновесного краевого угла, различают три основных вида смачивания:

Анализ уравнения Юнга

1. Если σ _ТГ> σ _ТЖ, то cos θ > 0 и θ < 90° (краевой угол смачивания) острый – смачивание.

Пример: вода на поверхности металла, покрытого оксидной пленкой. Чем меньше угол θ и больше cos θ , тем лучше смачивание.

Рис.9.4. Несмачивание 2. Если σ _ТГ < σ _ТЖ, то cos θ < 0 и θ > 90° (краевой угол смачивания тупой) – несмачивание. Пример: вода на парафине или тефлоне.

3. Если σ _ТГ = σ _ТЖ, то cos θ = 0 и θ = 90° – граница между смачиваемостью и несмачиваемостью.

4. Если , то cos θ = 1 и θ = 0° – полное смачивание (растекание) – капля растекается в тонкую пленку. Пример: ртуть на поверхности свинца, очищенного от оксидной пленки.

Полного несмачивания, то есть такого положения, когда θ = 180°, не наблюдается, так как при соприкосновении конденсированных тел поверхностная энергия всегда уменьшается.

Смачиваемость водой некоторых твердых тел характеризуется следующими краевыми углами: кварц – 0°, малахит – 17°, графит – 55°, парафин – 106°. Хуже всего смачивается водой тефлон, краевой угол смачивания – 120°.

Различные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверхность. Согласно приближенному правилу – лучше смачивает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веществу.

По виду избирательного смачивания все твердые тела делят на три группы:

· Гидрофильные (олеофобные ) материалы – лучше смачиваются водой, чем неполярными углеводородами: кварц, силикаты, карбонаты, оксиды и гидроксиды металлов, минералы (краевой угол меньше 90° со стороны воды).

· Гидрофобные (олеофильные) материалы –лучше смачиваются неполярными жидкостями, чем водой: графит, уголь, сера, парафин, тефлон.

Пример 9.1. Определите краевой угол смачивания, образованный каплей воды на твердом теле, если поверхностное натяжение на границе воздух твердое тело, вода-твердое тело и вода-воздух соответственно равны: 0, 057; 0, 020; 0, 074 Дж/м². Будет ли вода смачивать данную поверхность?

Решение:

По закону Юнга:

cos θ < 0 и θ > 90° – данная поверхность водой не смачивается.

Флотация

Флотация относится к наиболее распространенным методам обогащения полезных ископаемых. Этим методом обогащается около 90% руд цветных металлов, уголь, сера и другие природные материалы.

Флотационное обогащение (разделение) основано на различной смачиваемости водой ценных минералов и пустой породы. В случае пенной флотации через водную суспензию измельченной руды (пульпу) барботируют воздух, к пузырькам которого прилипают гидрофобные частицы ценного минерала (чистые металлы или их сульфиды), всплывающие затем на поверхность воды, и с образовавшейся пеной снимаются механически для дальнейшей переработки. Пустая порода (кварц, алюмосиликаты) хорошо смачивается водой и оседает во флотационных машинах.

Пример 9.2. Порошок кварца и серы высыпали на поверхность воды. Какое явление можно ожидать, если краевой угол смачивания для кварца 0°, а для серы 78°.

Решение:

Так как для кварца θ = 0° – полное смачивание, то кварц будет полностью смачиваться водой и оседать на дно емкости. Краевой угол смачивания для серы близок к 90°, следовательно, порошок серы будет образовывать суспензию на поверхности воды.

Особенности искривленной поверхности раздела фаз

Рассмотрим еще одно важное качество дисперсных систем, связанное с раздробленностью – резкое увеличение кривизны поверхности частиц по сравнению с плоскостью.

За счет кривизны поверхности жидкой дисперсной фазы возникает избыточное внутримолекулярное давление (рис.9.6):

, (9.10)

где – разность давлений над искривленной поверхностью ( ) и давлением над плоской поверхностью ( ).

Рис. 9.5. Схема образования избыточного внутреннего давления

с положительной кривизной.

Равнодействующая сил поверхностного натяжения

как векторная величина компенсируется силой

, которая направлена к центру частицы и перпендикулярна ее поверхности. В результате искривления поверхности совершается работа

, которая приводит к уменьшению объема тела на величину dV.

. (9.11)

Уравнение, связывающее избыточное внутримолекулярное давление с радиусом кривизны поверхности r:

· для сферической поверхности:

; (9.12)

· для цилиндрической поверхности:

; (9.13)

· для частиц произвольной формы:

. (9.14)

Уравнения (9.12-9.14) представляет собой закон капиллярного давления Лапласа для сферической, цилиндрической поверхностей и поверхности произвольной формы.

Кривизна поверхности может быть положительной и отрицательной. Если центр окружности находится внутри тела (рис.9.5), то кривизна поверхности считается положительной, тогда > 0 – выпуклая поверхность, дополнительное избыточное давление увеличивает внутреннее давление жидкости (сжимает ее). Знак «+» в уравнении Лапласа для выпуклой поверхности:

. (9.15)

Предыдущая 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 262728 29 30 Следующая