Процессы адгезии и когезии (стр. 1 из 3)
Адгезия. Когезия. Смачивание и растекание жидкости
Понятие когезии и адгезии. Смачивание и растекание. Работа адгезии и когезии. Уравнение Дюпре. Краевой угол смачивания. Закон Юнга. Гидрофобные и гидрофильные поверхности
В гетерогенных системах различают межмолекулярное взаимодействие внутри фаз и между ними.
Когезия - притяжение атомов и молекул внутри отдельной фазы. Она определяет существование вещества в конденсированном состоянии и может быть обусловлена межмолекулярными и межатомными силами. Понятие адгезии, смачивания и растекания относятся к межфазным взаимодействиям.
Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности благодаря физическим и химическим межмолекулярными силами. Рассмотрим характеристики когезионного процесса. Работа когезии определяется затратой энергии на обратимый процесс разрыва тела по сечению равной единице площади: Wk=2×s, где Wk - работа когезии; s- поверхностное натяжение
Так как при разрыве образуется поверхность в две параллельные площади, то в уравнении появляется коэффициент 2. Когезия отражает межмолекулярное взаимодействие внутри гомогенной фазы, то ее можно охарактеризовать такими параметрами как энергия кристаллической решетки, внутреннее давление, летучесть, температура кипения, адгезия результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Работа адгезии характеризуется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Она измеряется в тех же единицах, что и поверхностное натяжение. Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел: Ws=WaS
Таким образом, адгезия - работа по разрыву адсорбционных сил с образованием новой поверхности в 1м2.
Чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих компонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 и 3, имеющие поверхность на границе с воздухом 1, равную единице площади (рис. 2.4.1.1).
Будем считать, что фазы взаимно нерастворимы. При совмещении этих поверхностей, т.е. при нанесении одного вещества на другое происходит явление адгезии, т.к. система стала двухфазной, то появляется межфазное натяжение s23. В результате первоначальная энергия Гиббса системы снижается на величину, равную работе адгезии:
G + Wa=0, Wa= - G.
Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии:
Gнач.= s31 + s21;
Gкон = s23;
; 
. 
- уравнение Дюпре.Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.
Межфазное натяжение станет равно 0, когда исчезнет межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз
Учитывая, что Wk=2s, и умножая правую часть на дробь
, получим: 
где Wk2, Wk3 - работа когезии фаз 2 и 3.
Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы работ когезии. От работы когезии надо отличать адгезионную прочность Wп.
Wп – работа, затраченная на разрушение адгезионного соединения. Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей Wa, так и работа, затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения Wдеф:
Wп = Wa + Wдеф.
Чем прочнее адгезионное соединение, тем большей деформации будут подвергаться компоненты системы в процессе его разрушения. Работа деформации может превышать обратимую работу адгезии в несколько раз.
Смачивание - поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкого с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом.
Степень смачиваемости характеризуется безразмерной величиной косинуса краевого угла смачивания или просто краевого угла. При наличии капли жидкости на поверхности жидкой или твердой фазы наблюдаются два процесса при условии, что фазы взаимно нерастворимы.
1. Жидкость остается на поверхности другой фазы в виде капли.
2. Капля растекается по поверхности.
На рис. 2.4.1.2 показана капля на поверхности твердого тела в условиях равновесия.
Поверхностная энергия твердого тела, стремясь к уменьшению, растягивает каплю по поверхности и равна s31. Межфазная энергия на границе твердое тело - жидкость стремится сжать каплю, т.е. поверхностная энергия уменьшается за счет уменьшения площади поверхности. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направлено от границы между жидкой, твердой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно s21. Угол q (тетта), образованный касательной к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, имеет вершину на границе раздела трех фаз и называется краевым углом смачиваемости. При равновесии устанавливается следующее соотношение
- закон Юнга.Отсюда вытекает количественная характеристика смачивания как косинус краевого угла смачивания
. Чем меньше краевой угол смачивания и, соответственно, чем больше cos q, тем лучше смачивание.Если cos q > 0, то поверхность хорошо смачивается этой жидкостью, если cos q < 0, то жидкость плохо смачивает это тело (кварц – вода – воздух: угол q = 0; «тефлон – вода – воздух»: угол q = 1080). С точки зрения смачиваемости различают гидрофильные и гидрофобные поверхности.
Если 0< угол q<90, то поверхность гидрофильная, если краевой угол смачиваемости q>90, то поверхность гидрофобная. Удобная для расчета величины работы адгезии формула получается в результате сочетания формулы Дюпре и закона Юнга:
;
;
- уравнение Дюпре-Юнга.
Из этого уравнения видна разница между явлениями адгезии и смачиваемости. Разделив обе части на 2, получим
.
Так как смачивание количественно характеризуется cos q, то в соответствии с уравнением оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии для смачивающей жидкости. Различие между адгезией и смачиванием в том, что смачивание имеет место при наличии контакта трех фаз. Из последнего уравнения можно сделать следующие выводы:
1. При q= 0 cos Q = 1, Wa=Wk.
2. При q = 900cos q = 0, Wa=Wk/2.
3. При q =1800cos q = -1, Wa=0.
Последнее соотношение не реализуется.
Коэффициент растекания по Гаркинсу. Условие растекания и смачивания. Эффект Марангони. Правило Антонова
Рассмотрим условие растекания жидкости 2 по поверхности 3. Это условие можно получить из закона Юнга, приняв, что процесс проходит при q < 0. Тогда s31 ³ s23 + s21.
При этом условии равновесие становится невозможным и происходит растекание. Из уравнения следует, что уменьшение межфазного натяжения s23 и уменьшение поверхностного натяжения жидкости s21 способствует растеканию. Если разность s31 и s23 заменить выражением из уравнения Дюпре, что получим условие растекания в виде
Таким образом, растекание происходит в том случае, если работа адгезии превышает работу когезии растекания жидкости. Разницу между левой и правой частями неравенства называют коэффициентом растекания f или коэффициентом растекания по Гаркинсу F
; 
.При положительном значении коэффициента растекания жидкость растекается, при отрицательном - не растекается. Растекание жидкости с меньшим поверхностным натяжением по жидкости с бớльшим поверхностным натяжением называют эффектом Марангони. Под ним понимают движение в поверхностных слоях, вызванное градиентом поверхностного натяжения. Обычно неоднородность по поверхностному натяжению обусловлена неодинаковостью состава и температуры в разных точках межфазной поверхности. Течение происходит из области малых натяжений в сторону бớльших натяжений вследствие самопроизвольного уменьшения энергии Гиббса поверхности. Если предположить, что течение следует закону Ньютона, то напряжение сдвига давления записывается таким образом: