Капилярные явления

Сначала рассмотрим влияние дисперсности на состояние жидкостей. Вследствие избыточной поверхностной энергии жидкости, благодаря своей подвижности, приобретают наиболее экономическую сферическую форму в условиях невесомости. В морях и океанах вода имеет плоскую поверхность поскольку на нее действует сила тяжести. С уменьшением количества жидкости роль силы тяжести снижается, увеличивается удельная поверхность. С ростом поверхностной энергии появляется кривизна поверхности жидкости, например, капельки тумана имеют сферическую форму. С появлением кривизны поверхности в фазе возникает дополнительное давление , направленное к центру кривизны, и определяемое по уравнению Лапласа: , где - кривизна поверхности.

Для сферы: , ; , , тогда кривизна поверхности будет равна:

В этом случае или , т.е. чем выше дисперсность, тем больше внутреннее дополнительное давление, появляющееся в частице жидкости. Фактически происходит самопроизвольное понижение свободной поверхностной энергии за счет совершения работы по уменьшению объема частиц жидкой фазы, т.е. переход этой энергии в энергию механическую: .

Все вышеизложенное позволяет объяснить причину возникновения капиллярных явлений.

Капилярными явлениями называются процессы самопроизвольного движения жидкостей внутри узких протяженных сосудов (капилляров). Расстояние между стенками сосудов должно быть соизмеримо с радиусом кривизны поверхности жидкости (в ведре с водой мениска нет, а в бюретке уже есть). Кривизна возникает в результате взаимодействия жидкости со стенками сосуда (адгезия, смачивание). Специфика поведения жидкости в капиллярах определяется величиной краевого угла смачивания θ.

Р ассмотрим модель двух капилляров.

Стенки капилляра 1 гидрофильны, а капиляра 2 – гидрофобны (1 – стекло, 2 – тефлон). С появлением кривизны поверхности радиуса r в жидкости возникает дополнительное давление , направленное к центру кривизны, благодаря чему в 1 случае жидкость растягивается, а во 2 – снижается.

Сжимающая (или растягивающая) сила . Она создает давление или .

, ,

где и – соответственно плотности жидкости и газа (воздуха).

Согласно уравнению Лапласа , тогда в состоянии равновесия:

или – высота капиллярного поднятия (опускания)

Радиус кривизны поверхности (r) трудноопределим, поэтому его лучше связать с радиусом капилляра (r₀) который можно легко измерить.

Из рисунка видно, что , тогда – формула Журена.

Капилярным втягиванием жидкостей объясняются процессы пропитки бумаги, картона, тканей, ДСП и др. Подъем воды из почвы по стволам растений происходит благодаря волокнистому (капиллярному) строению древисины. Процессы кровообращения в кровеносных сосудах тоже являют собой пример капиллярных явлений.

Для двух пластин, погруженных в жидкость и имеющих между собой зазор d, формула Журена имеет вид: .

Если же пластинки прижать друг к другу так, чтобы между ними оставалась прослойка смачивающей их жидкости, то они будут испытывать сжимающее давление. Сила притяжения между пластинами, смоченными жидкостью определяется уравнением:

,

где S – поверхность соприкосновения пластин.

Следует подчеркнуть, что капиллярные явления проявляются на границе трех фаз: тв – ж – газ. Капилярными явлениями объясняется комкование порошков при сушке; формуемость влажного песка; влажность соли и сахара.

Капилярные явления имеют место на границе трех фаз. Они широко используются в порометрии (измерение объема пор пористых тел).

Пористые тела (к ним относятся и активированные угли) делятся на три группы: макропористые с радиусом пор свыше 100-200 нм и S_уд = 0,5-2 м²/г; переходнопористые с радиусом пор от 2 до 100 нм и S_уд = 10-500 м²/г; микропористые с радиусом пор от 0,5 до 2 нм и S_уд = 500-1000 м²/г.

Одной из основных характеристик пористой структуры тела является пористость, тоесть отношение объема пор к общему объему тела: – доля пустот в структуре тела.

Отличают поры и капилляры открытые, тупиковые и закрытые. Общая пористость тела: , где – объем соответствующих пор в единице объема пористого тела.

ЛЕКЦИЯ 6

Электроповерхностные явления

Стремление гетерогенной системы к уменьшению поверхностной энергии взывает самопроизвольный процесс определенного ориентирования полярных молекул, ионов и электронов в поверхностном слое, вследствие чего соприкасающиеся фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины. В результате на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой (ДЭС), являющийся аналогом электрического конденсатора, но особенностями которого является то, что обкладки такого конденсатора принадлежат разным фазам, находящимся не в одинаковых агрегатных состояниях.

Различают три возможных варианта механизма образования ДЭС.

1. ДЭС образуется в результате перехода ионов или электронов из одной фазы в другую (поверхностная ионизация, термоэлектронная эмиссия). Например, с поверхности металла в газовую фазу переходят электроны, создавая электронное облако со стороны газовой фазы.(РИСУНОК 10) Возникающий электрический потенциал препятствует дальнейшему переходу ē – наступает равновесие, формируется ДЭС.

Межфазная поверхность AgJ↓ – H₂O. В воду преимущественно переходят Ag⁺, т.к. они сильнее гидратируются, в результате поверхность соли имеет избыток ионов J^- и заряжается отрицательно. Этот заряд поверхности нейтрализуется со стороны жидкой фазы избытком Ag⁺–ионов, сосредоточенных вблизи поверхности. Т.о. формируется ДЭС.

2. Образование ДЭС может происходить в результате адсорбции. Адсорбироваться могут как отдельные неорганические ионы, так и ионные ПАВ. При адсорбции ПАВ на поверхности металла преимущественно адсорбируются органические ионы, а неорганические формируют ДЭС со стороны водной фазы, т.к. сильнее с ней взаимодействуют.

Адсорбция ионогенного ПАВ может происходить на границе двух несмешивающихся жидкостей (H₂O – C₆H₆). Полярная группа молекул ПАВ обращена к воде, неполярный углеводородный радикал погружен в неполярную жидкость (бензол C₆H₆).

3. ДЭС может образовываться благодаря ориентированию полярных молекул сопряженных фаз в результате их взаимодействия. Тоже можно получить при адсорбции неионогенных ПАВ.

Правило Кёна: из двух соприкасающихся фаз положительно заряжается та, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость. Именно поэтому многие вещества, соприкасающиеся с водой (ε=81) заряжаются отрицательно.