10. Работа когезии. Связь поверхностной энергии с взаимодействиями между молекулами (атомами, ионами), правило Трутона, уравнение Дюпре. .

Работа когезии определяется затратой энергии па обратимый изотермический разрыв тела по сечению, равному единице площади. Так как при разрыве образуется поверхность в две единицы площади, то работа когезии равна удвоенному значению поверхностного натяжения на границе с газом: W_к = 2σ, где σ-поверхностное натяжение тела на границе с воздухом или жидкостью. Применительно к идеальному твердому телу (отсутствие дефектов структуры) величину W_к часто называют прочностью на разрыв (обратимый). Т.к. когезия отражает межмолекулярное воздействие внутригомогенной фазы, то ее могйт характеризовать так же такие параметры, как энергия кристаллической решетки, внутреннее давление, энергия парообразования, Ткип, летучесть (равноосное давление пара над телом) и др. Эти же параметры количественно характеризуют и поверхностное натяжение тел.

Рассмотрим связь между указанными параметрами, характеризующими когезию и поверхностным натяжением. ΔH_пар=ΔG_пар+ТΔS_пар. Энтальпия преобразования тел = энергии кристалич.решетки. при р,Т=const ΔG=0 и тогда ΔH_пар= ТΔS_пар . откуда следует, что чем больше энтальпия ΔH, тем выше ΔS и тем больше W_к. т.к. ΔS_пар=ΔS₀-рln(p/p_атм), то чем больше W_к, тем меньше давление насыщенного пара над веществом при данной Т (меньше летучесть). При кипении p/p_атм = 1, значит L=T_кип ΔS₀ L-тпелота образования при T_кип.

Величина ΔS₀, отнесенная к 1 Моль вещества, имеет примерно одинаковое значение для многих неассоциируемых жидкостей (правило Трутона).

Правило Трутона: молярная энтропия испарения разных веществ при нормальной температуры кипения является постоянной величиной и равняется константе Трутона. ΔS_{испарения}=ΔH_исп/T_кип=K_{Трутона}. K_{Трутона}=85-90 Дж/(моль*К)

Правило Трутона справедливо лишь для неассоциированных веществ, то есть для веществ, у которых отсутствует водородная связь.

_- 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.

11. Закон Юнга, смачивание, краевой угол смачивания, термодинамические условия смачивания и растекания, избирательное смачивание, гидрофильность и гидрофобность поверхности твердых тел, влияние шероховатости твердой поверхности на смачивание

Смачивание – физико-химическое явление, происходящее при контакте жидкостей с поверхностью твердых тел. Основную роль в смачивании играют поверхностные свойства жидкости и тв.тела. Важнейшая особенность смачивания заключается в том, что в процессе участвуют три разных фазы. 1я фаза-тв.тело. 2я фаза – смачивающая жидкость. Кроме того, присутствеут третья фаза, с которой граничит тв.фаза до подвода к ее поверхности смачивающей жидкости. 3ей фазой часто является газ (воздух). В технике и природе достаточно распространен случай, когда 3я фаза – это другая жидкость, которая не смешивается со смачив.жидкостью. Этот случай называют избирательным смачиванием. Пример: контакт с поверхностью тв.тела полярной (вода, водные растворы) и неполярной (предельные углеводороды, ароматические вещества) жидк.

Количественной характеристикой смачивания служит краевой угол , который измеряют по наклону касательной АВ к поверхности капли, находящейся на твердой поверхности.

Вершина краевого угла в точке А находится на линии контакта всех трех фаз, участвующих в смачивании. В данном примере это окружность АС в основании капли. По ней соприкасаются друг с другом тв.тело, жидкость, газ. Эту общую границу называют линией смачивания или линией трехфазного контакта. Этот угол отсчитывают в сторону сточен.поверхности при избирательном смачивании краевой угол отсчитывают в сторону более полярной жидкости.

Угол определяется законом Юнга: для трехфазных систем тв.-жидк.-газ з.Ю. имеет вид:

уравнение следует из термодинамического равновесия на линии смачивания.

При избирательном смачивании закон Юнга имеет вид: где _тж1-удельная поверхностная энергия на границе тв.тела с жидк.1. _тж2 – с жидк 2 и т.д.

З-н Юнга, как и закон Лапласа, относится к числу основных законов капиллярных явлений, поэтому его часто называют вторым законом капиллярности. Закон Юнга можно вывести на основе положения термодинамики: равновесию системы (при V=const) соответствует минимум энергии Гельмгольца. В случае смачивания минимальное значение должна иметь свободная поверхностная энергия, которая определяется вкладами трех поверхностей раздела контактирующих фаз.

На основе закона Юнга построена классификация различных случаев контактного взаимодействия жидкостей с поверхностью твердых тел.

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 угол q<90, то поверхность гидрофильная, если краевой угол смачиваемости q>90, то поверхность гидрофобная.

Для смачивающих жидкостей (cosΘ> О) шероховатость приводит к уменьшению краевых углов (cos Θ_ш >cosΘ). В случае несмачивания шероховатость вызывает увеличение краевых углов: cosΘ_ш <cosΘ.