Коллоидная химия

Адгезия - межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведёнными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы (прилипание). Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности, обусловленное межмолекулярными силами.

Адгезия возможна в системах -

Адгезия - результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии, следовательно, это самопроизвольный процесс. Работа адгезии Wa, характеризующая прочность адгезионной связи, определяется работой обратного разрыва адгезионной связи, отнесённой к

единице площади:

Ws = WаS, где Ws (1)

- полная работа адгезии Wa = [Дж/м2]

2,3 - поверхностное

натяжение на границе раздела двух конденсированных фаз,

2,1 и 3,1 - поверхностное натяжение на границе с

воздухом

Уравнение Дюпре отражает закон сохранения энергии при адгезии: работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.

Уравнение (2) справедливо только для изобарно-изотермического процесса в отсутствии электрического и химического взаимодействия между контактирующими телами, его используют для определения равновесной работы адгезии жидкости.

Равновесную работу адгезии можно сопоставить с равновесной работой когезии. Когезия - определяет связь между молекулами внутри тела и в пределах одной фазы, характеризует прочность конденсированных тел и их способность противодействовать 4

внешнему усилию.

Первая стадия - транспортная, перемещение адгезива (клеящего вещества) к поверхности субстрата (тело, на которое наносят адгезив) и их определенное ориентирование в

межфазном слое.

Вторая стадия - взаимодействие адгезива и субстрата, обусловлено различными силами (от Ван-дер-Ваальсовых до химических).

То есть оно возникает в системах Т/Ж/Г или Т/Ж1/Ж2, где Ж1 и Ж2 – две несмешивающиеся жидкости. Взаимодействие в системах Т/Ж1/Ж2 называют избирательным смачиванием. Общая граница контакта трех фаз называется линией смачивания.

Количественной характеристикой смачивания является косинус краевого угла. Краевой угол (θ)

–угол между касательной к поверхности капли и смачиваемой поверхностью (рис. 2), причем

вершина угла лежит на линии смачивания. Краевой угол θ отсчитывается в сторону жидкости, а при избирательном смачивании – в сторону более полярной из двух жидкостей.

Смачивание можно рассматривать как процесс, при котором в системе из трех соприкасающихся фаз происходит уменьшение свободной поверхностной энергии. Если удельная свободная поверхностная энергия на границе твердого тела и жидкости меньше, чем на границе твердого и газа (σТЖ < σТГ), то энергетически выгодно

растекание жидкости (смачивание), при котором поверхность с высокой энергией частично заменяется на поверхность с меньшим запасом свободной энергии. И наоборот, если σТЖ > σТГ , то энергетически выгодно

несмачивание.

Величина смачивания определяется результатом конкуренции сил межмолекулярного притяжения внутри жидкости (сил когезии) и сил молекулярного взаимодействия между жидкостью и твердым телом (сил адгезии). Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собою, то капля растекается по поверхности, образуя мениск с острым краевым углом (0° < θ < 90°) (или тонкую пленку с краевым углом θ = 0°. Последний случай (θ = 0°) называется полным смачиванием (вода на обезжиренной поверхности стекла или кварца). Если же молекулы Ж взаимодействуют друг с другом сильнее, чем с молекулами твердого тела, то капля стягивается, образуя тупой краевой угол θ > 90°, как в случае воды на парафине или фторопласте. Случай θ = 180° (полное несмачивание) является гипотетическим, т.к. он означал бы полное отсутствие молекулярного взаимодействия между фазами, что нереально.

Поверхностная энергия твердого тела, стремясь уменьшиться, вызывает растяжение капли по поверхности. Эта энергия равна поверхностному натяжению твердого тела на границе с воздухом 3,1. Межфазная энергия на границе твердого тела с жидкостью 2,3 стремится сжать каплю. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направлено от границы между твердой, жидкой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно 2,1.Угол - краевой угол или угол смачивания.

3,1(ТГ) = 2,3(ТЖ) + 2,1(ЖГ)cos( )

cos( ) = ( 3,1- 2,3)/ 2,1 (4)

Чем меньше краевой угол , тем лучше смачивание поверхности.

Если cos( )>0 , то поверхность хорошо смачиваемая, cos( )<0 - плохо смачиваемая.

Следствия из уравнения Юнга

1. Различные жидкости тем лучше смачивают данную твердую поверхность, чем ниже поверхностное натяжение жидкости.

2. Смачиваемость твердых тел тем больше, чем выше их свободная поверхностная энергия. Смачиваемость повышается в ряду: тела с молекулярной кристаллической решеткой < с полярными связями < с ионной кристаллической решеткой.

3. При избирательном смачивании из двух жидкостей смачивать данную твердую поверхность будет та, полярность которой ближе к полярности твердого тела. Другими словами, смачивающей будет та жидкость, у которой меньше разность полярностей с данным твердым телом, т.е. она более близка к нему по молекулярной природе, проявляет более сильное межмолекулярное взаимодействие с ним и обеспечивает, следовательно, более низкое значение величины σТЖ.

Тела, для которых в условиях избирательного смачивания краевой угол θ < 90° (В > 0),

называются гидрофильными, а в обратном случае (θ > 90°, В < 0) –

гидрофобными (или олеофильными).

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.

Кинетический катерезис, который замедляет достижение равновесной формы капли. Краевые углы зависят от времени нахождения капли на поверхности:

Если разность 3,1 - 2,3 в уравнении Дюпре заменить её выражением из закона Юнга, то

Wa = 2,1(ЖГ) + 2,1(ЖГ)cos( )

(5) Wa/ 2,1(ЖГ) = 1+ cos( ) - уравнение Дюпре-Юнга

При увеличении капли формируется краевой угол натекания, а при уменьшении капли – угол отекания. За образованием углов отекания и натекания удобно наблюдать, если наклонить пластинку.