Metode de determinare a tensiunii superficiale la faza de limitele care curge
Tensiunea superficială a lichidelor este ușor să se determine experimental. Metode de măsurare a tensiunii superficiale a lichidului interfețe (mobile) sunt împărțite în trei grupe principale:
1) statice (metode creștere capilare și rabatabile sau suspendate picătură);
2) semi-static (metoda presiune maximă cu bule, desprinderea inelului de separare placă, cântărire sau numărare picături);
3) valuri dinamice (metode capilare oscilante jeturi).
Cele mai precise rezultate furnizează metode statice, care se bazează pe un studiu al meniscului lichid fix sau profilul de picături și bule. În aceste cazuri, suprafața lichidului este în echilibru cu volumul său și nu se modifică în timpul măsurătorii. Metodele dinamice utilizate atunci când stabilirea rapidă a echilibrului între stratul de suprafață și volumul lichidului așteptat. Altfel (când apariția echilibrului lent) s obținut valori nu sunt strict echilibru.
Toate tehnicile adecvate pentru măsurarea tensiunii superficiale a fluidelor individuale între rezultatele obținute prin metode statice și dinamice, nu există nici o diferență. În aceleași măsurători soluții # 963; diverse metode pot fi diferite datorită stabilirii lente a distribuției de echilibru a solutului între suprafața proaspăt format și soluția vrac. Acest lucru este valabil în special pentru soluții de agenți tensioactivi care formează micelii și macromolecular (substanțe proteice, saponine, săpunuri Omologii superiori). Prepararea unor astfel de soluții în valori de tensiune de suprafață de echilibru necesită folosirea unor metode statice. Metode adecvate și unele semi-statice, cum ar fi metodele de inele de separare reprezintă picături bule maxime de presiune și altele. Cu simplitatea și utilitatea acestor metode dau rezultate satisfăcătoare în cazul în care măsurătorile sunt efectuate astfel încât formarea unei noi suprafețe sub formă de picături este suficientă pentru stabilirea unei concentrații de echilibru. În soluții de greutate moleculară mică agenți activi de suprafață valori de echilibru # 963; realizată de obicei în mai puțin de un minut; la soluții tensioactive mai multe structuri complexe pe stabilirea echilibrului poate dura până la câteva zeci de minute, datorită difuziunii lente a moleculelor. Astfel, pentru metoda de selecție adecvată ar trebui să ia în considerare studiile cinetici stabilesc valori de tensiune de suprafață de echilibru.
Una dintre cele mai simple metode de măsurare a tensiunii superficiale la frontieră „g - g„este metoda stalagmometry (metoda de numărare picături). In aceasta tensiunea superficială lichid la interfața cu gazul se calculează prin următoarea ecuație:
unde s0 - tensiunea superficială a unui solvent pur, n0 și n - numărul de solvent pur și soluția picături scurs de la stalagmometry; R0 și r - densitatea și soluția de solvent.
unghiul de contact
mică picătură de lichid plasat pe o suprafață solidă poate lua diferite forme: fie aproape sferice, ca picătură de apă pe suprafața de ceară sau forma unei lentile subțiri. În primul caz, suprafața solidă este slab umezită cu un lichid (neumectare), al doilea - bine umezită (umezit).
Conform numărului de faze implicate în proces, există două tipuri de umectare:
1) imersiune de umezire are loc atunci când scufundat complet corpul solid într-un fluid; într-un astfel de caz, umezire implică două faze: lichidă și solidă;
2) Fluxurile de contact de umectare care implică trei faze: solid, lichid, gazos (de exemplu, o picătură de lichid pe o suprafață solidă).
O măsură cantitativă a procesului de umezire poate servi ca unghiul format de picătura și suprafața solidă. Acest unghi se numește unghiul de contact și este notat # 952;. sens # 952; poate varia de la 0 la 180 °. Mărimea unghiului de contact este numărat între suprafața solidă și tangenta la suprafața picătură în punctul de contact al solidului, a fazelor lichidă și gazoasă. Măsurarea unghiului produs de fluid (fig. 62).
Fig. 62. Unghiurile de contact ale umectarea:
și - lichid de umectare;
b - lichide de umectare
Linia la care suprafața lichidului în această secțiune - gazul este în contact cu o suprafață solidă, se numește umectare perimetru. unghiul de contact # 952;. care la echilibru este stabilit sistem cu trei faze (solid - lichid - gaz), depinde numai de tensiunea superficială la limitele de fază. Dacă luăm în considerare tensiunea de suprafață ca forța care acționează tangențial la interfața, conexiunea dintre unghiul de contact și tensiunea superficială poate fi exprimată prin ecuația lui Young:
și # 963; n. # 963; tzh. # 963; xi și - cele trei forțe care acționează asupra unității de lungimea perimetrului umed (Figura 63.). produs # 963; xi cos # 952; Ea reprezintă proiecția vectorului # 963; xi pe planul orizontal (figura 63, segmentul OA.).
Din ecuația (295), că procesul de umezire poate fi controlat prin modificarea tensiunii superficiale a sistemului. Cea mai eficientă metodă este de a introduce agentul tensioactiv în faza lichidă sau suprafața solidă soluțiile de pretratament de surfactant. În acest fel, nu numai că poate afecta cantitatea de umectare, dar, de asemenea, cauza inversarea ei, care se schimbă caracterul calitativ al umezirii.
Modelul totală în procesele de umezire manifestate în faptul că, cu cât polaritatea lichidului, mai slabi proprietățile sale de umectare: umectează ridicat de mercur polari doar unele metale, umezit cu apă suprafața multor substanțe polare, lichide organice (alcooli, benzen, hexan), umectat cu aproape orice suprafață.
Tensiunea superficială a diferitelor solide, lichide și altele asemenea, nu este același lucru, dar pentru substanțele solide este considerabil mai mare decât pentru fluide.
Natura moleculara a solidelor, capacitatea lor de a interacționa cu apă pot fi caracterizate prin hidrofiliei și hidrofobicitatea. în timp ce corpul hidrofilic în contact cu apă și insolubil în apă lichidă nepolar (hidrocarbură) umezit selectiv de picătură de apă. Acestea din urmă forme cu suprafața unghiurile de contact în intervalul 0 ° <θ <90°. Гидрофобные тела в тех же условиях избирательно смачиваются углеводородом, и капля воды с их поверхностью образует краевые углы смачивания 90° <θ <180°.
Proprietatea hidrofobă se manifestă în faptul că interacțiunea dintre moleculele și corp mai slab decât interacțiunea dintre moleculele de apă în sine de apă. Proprietatea hidrofil este caracterizată prin aceea că interacțiunea dintre moleculele de apă este mai slabă decât interacțiunea dintre moleculele de apă și solide. În acest sens, suprafețele solide hidrofobe place rezista umectare cu apă și este hidrofil, dimpotrivă, este ușor umezită.
Figura 64 prezintă sub formă de picături de lichid pe suprafețe solide cu diferite higroscopicitate; din această figură se vede că pe suprafața de minerale este bine udată o picătură de lichid (apă, ulei) curge, în timp ce pentru minerale slab muiabile rămâne la suprafață, menținând în același timp forma ovală.
Fig. 64. Forma de picături de lichid pe suprafețe solide cu diferite higroscopicitate:
Diverse minerale sunt caracterizate prin diferite higroscopicitate. Astfel, în general, sulfuri sunt hidrofobe și oxizii - sunt hidrofile, în care gradul de hidrofilie sau hidrofobicitate diferite. Umectabilității mai mare a mineralului, adică mai mult se prezintă proprietăți hidrofile, activitatea flotație mai puțin, și invers, cu atât mai mult este hidrofob, cu cât unghiul de contact activitatea mai naturală și flotație are.
Valori foarte ridicate ale unghiurilor de contact ale caracteristicii de umezire a mineralelor: sulf (80 °), talc (70 °), grafit (la 60 °), sulfurile diferite (până la 30-50 °). Pentru oxidarea metalelor feroase, valorile unghiurilor de contact sunt destul de mici.
Natura suprafeței solide, și, prin urmare, tensiunea superficială poate modifica și transforma suprafața hidrofilă într-un (proces deperlare) hidrofob pe de altă parte, o suprafață hidrofobă poate fi transformată într-un (proces hidrofilizare) hidrofil prin acoperirea suprafeței solide (minerale), un strat subțire de substanțe ( Fig. 65).
Fig. 65. Hidroizolarea suprafeței:
și - suprafața obișnuită a plăcii de aluminiu;
b - suprafața plăcii de aluminiu un monostrat de acid organic
Astfel, suprafața plăcii de aluminiu (Fig. 65 a), în condiții normale de acoperire film de oxid Al2 O3. hidrofil, adică bine udate cu apă (# 952 = 40 °). Pentru placa de aluminiu hidrofobizat este suficientă pentru a acoperi cu o soluție a unui acid organic. Moleculele de acid adsorbite pe suprafața plăcii, pentru a forma strat orientat, în care grupările polare ale moleculelor se confruntă cu suprafața plăcii, în timp ce lanțurile de carbon - în aer. După cum se observă în figura 65, b. o picătură de apă pe placa de aluminiu acid organic tratat formează un unghi de contact> 90 °.
Unghiurile de contact sunt ușor de măsurat experimental. În acest scop, mijloace optice prin care picătura proiectat pe un ecran sau unghi este determinat direct din imagine optic.
Fenomenul de umectare este strâns legată de acțiunea forțelor de coeziune și de adeziune.
numitele molecule omogene Ø coezive de adeziune, atomi sau ioni, care include toate tipurile de atracție intermoleculară și interatomică în decurs de o fază.
Coeziune determină existența substanțelor în stare condensată (lichid și solid). Astfel de condiții sunt extrem de coeziune. Substanțele în stare gazoasă au scăzut de coeziune.
Ø Aderența (lipire) - este o atracție moleculară între suprafețele a două faze în contact solide sau lichide diferite.
Adeziunea este cauza lipirea două faze diferite, datorită acțiunii forțelor fizice sau chimice intermoleculare.
Cantitativ de coeziune și adeziune caracterizează cantitatea de muncă și de a lucra kogeziiAs adgeziiAa.
Lucrarea de coeziune (Fig. 66, a) este egală cu energia care trebuie cheltuite pentru a rupe forțele de coeziune dintre moleculele unei faze date. muncă pult de coeziune (J / m 2) este egală cu dublul tensiunii superficiale:
Lucrări de adeziune (figura 66, b.) - este munca cheltuită într-o fază de separare a moleculelor din molecule altă fază.
Fig. 66. Diagrama care ilustrează conceptele de coeziune (a) și adeziune (b) în planul A
Amploarea lucrărilor de adeziune poate fi văzută pe rezistența legăturii adezive (rezistența de adeziune, lipire). munca de adeziune exprimată în unități de tensiune superficială (J / m2). Aderența este însoțită de o scădere a energiei de suprafață. Acest lucru înseamnă că, atunci când combinarea diferitelor faze ale energiei Gibbs a sistemului este redus cu cantitatea de muncă de adeziune:
Adeziunea lichidului, un tip de interacțiuni adezive, realizate la contactul lichid cu o suprafață solidă. Dacă faza 1 - gazoasă, 2 - lichid, și 3 - solid (. Figura 67), apoi aplicat adeziunea fluid la ecuația în fază solidă pentru aderența poate fi reprezentată după cum urmează:
Ecuația rezultată Dupre (299) reflectă legea conservării energiei pentru adeziune.
Fig. 67. Derivarea relației dintre tensiunile de performanță de aderență și de suprafață ale componentelor care interacționează
Folosind ecuația lui Young (295), lucrarea de adeziune lichid poate fi scrisă astfel:
Fenomenul de coeziune și adeziune joacă un rol important în multe procese industriale, în special în tehnologia de droguri. Coeziune și adeziune afectează interacțiunea componentelor în forme de dozare complexe, dezintegrarea tabletelor, puterea de acoperire a cojilor, asupra proceselor de dizolvare și, eventual, eficacitatea acțiunii terapeutice. Fenomene de adeziune pe baza acțiunii de adezivi și lianți.
Fenomenul de umezire afectează cursul multor procese în natură și tehnologie, așa cum este etapa inițială a interacțiunii fluidelor cu solide.