Поверхностные явления на границе раздела фаз

Поверхностное натяжение и краевой угол смачивания. Адгезия

Все жидкости и твердые тела ограничены внешней поверхностью, на которой они соприкасаются с фазами другого состава и структуры (две нерастворимые жидкости, жидкость - пар, жидкость - твердое тело). Молекулы же, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул; молекулы поверхностного слоя (рис. 2.27) подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоев вещества и со стороны, граничащей с поверхностным слоем другой фазы.

Поверхностный слой жидкости

Рис. 2.27. Поверхностный слой жидкости

Например, на поверхности раздела жидкость - воздух, молекулы жидкости, находящееся в поверхностном слое, испытывают большее притяжение со стороны соседних молекул внутренних слоев жидкости, чем со стороны молекул газа. В той или иной степени особенности свойств поверхностных слоев вещества проявляются на любой поверхности раздела между двумя фазами: жидкость - пар; твердое тело - пар; твердое тело - жидкость. Молекулы поверхностного слоя обладают избыточной, нескомпенсированной величиной энергии. Для поверхности раздела жидкости с ее парами эту избыточную энергию называют поверхностным натяжением (а) и выражают в единицах работы, деленных на единицу площади, Дж/м2. Значения величины поверхностного натяжения у неорганических веществ варьируются в широких пределах: о(Н20) = = 7,3-10'3 Дж/м2; до более чем 11 Дж/м2 у алмаза. Для расплавов силикатов характерно довольно высокое поверхностное натяжение (0,2- 0,ЗДж/м2), которое в 3-5 раз больше, чем у воды, и сравнимо с поверхностными натяжениями расплавов металлов. При повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается, т.к. энергия межмолекулярного взаимодействия становится слабее. Для силикатных расплавов наблюдается незначительное уменьшение о по сравнению с другими жидкостями - повышение температуры на 100°С приводит к повышению а примерно на 1%.

Поверхностное натяжение и связанная с ним смачивающая способность играют большую роль в технологии производства силикатных и родственных им тугоплавких неметаллических материалов.

Если представить, что на поверхности твердого тела находится капля расплава, то в зависимости от природы расплава и твердого вещества возможно зафиксировать два типичных состояния (рис. 2.28). На поверхности раздела каждой из сосуществующих фаз возникает поверхностное натяжение <гтж ,<7ХГ и егжг (твердая фаза - жидкость, твердая фаза - газ, жидкость - газ). Силы «г™, пи и <тжг направлены тангенциально к каждой границе раздела фаз, которые сходятся в точке А. Краевым углом смачивания (в) называется угол, образуемый касательной к поверхности жидкой капли, проведенной из точки соприкосновения трех фаз - жидкой, твердой и газообразной и замеренный в жидкой фазе. Он служит мерой смачивающей способности жидкости (расплава). Величиной краевого угла смачивания оценивают также лиофильность и лиофобность поверхностей по отношению к той или иной жидкости. Поверхность считают лиофильной, если жидкость растекается по ней, т.е. происходит частичное (0 < в < 90°) или полное ( 0 —> 0°) смачивание.

Поверхность лиофобна, если растекание не происходит (i9 > 90°). Краевой угол зависит от соотношения сил сцепления молекул жидкости с молекулами или атомами смачиваемого тела (адгезия) и сил сцепления молекул жидкости между собой (когезией). Эти силы характеризуются соответственно обратимой работой адгезии WA и работой когезии Wc. При IVА < Wc всегда в > 0°, причем с увеличением отношения WA / Wc смачивание улучшается. Смачивающая способность оказывает большое влияние на физико-химические процессы, происходящие при обжиге всех силикатных материалов, а также для процессов эмалирования и глазурования. Чем больше поверхность контакта между жидкой и твердой фазами в термически обрабатываемом материале, тем легче и полнее завершаются химические и физико-химические процессы, обеспечивающие получение материала с нужными свойствами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >