Явление когезии и адгезии

Глава1. Когезионные и поверхностные силы

Глава 2.Адгезия и работа адгезии

Глава 3.Механизм процессов адгезии

Глава 4.Связь работы адгезии с краевым углом

Заключение

Список используемой литературы

Глава 1. Когезионные и поверхностные силы.

Поверхностное натяжение различ­ных конденсированных тел па границе с газом непосредственно связано с межатомным и межмолекулярным взаимодействием в конденсированной фазе. Взаимодействие (сцепление) молекул, атомов, ионов внутри одной фазы (гомогенной части сис­темы) называют когезией..Когезия обусловлена теми же сила­ми притяжения различной природы и определяет существова­ние веществ в конденсированном состоянии. Когезионные силы и иногда называют силами аттракции (притяжения),

Рассмотримколичественные характеристики когезионного взаимодействия. Работа когезии определяется затратой энергии па обратимыйизотермический 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 (1.1)

Применительно к идеальному твердому телу (отсутствие дефектов структуры) величину W_к часто называют прочностью на разрыв (обратимый), или когезионной прочностью. Реаль­ные тела из-за наличия дефектов структуры имеют значительно меньшую {иногда в сто и тысячу раз) прочность.

Когезия отражает межмолекулярное взаимодействие внутри гомогенной фазы, поэтому ее могут характеризовать также такие параметры, как энер­гия кристаллической решетки, внутреннее давление, энергия парообразования, температура кипения, летучесть (определяемая разновесным давлением пара над телом) и др. Эти же параметры и количественно характеризуют и поверхностное натяжение тел на границе с газом.

Внутреннее давление жидкостей можно оценить с помощью уравнение Ван-дер-Ваальса. Молекулы в жидкостях находятся значительно ближе друг к другу, чем в газах, и ван-дер-ваальсовы силы межмолекулярного взаимо­действия в них являются преобладающими, что и определяет жидкое агре­гатное состояние.

В уравнение Ван-дер-Ваальса для реальных газов

(р+а/V²)(V-b)=RT (1.2)

где р— внешнее давление; V — мольный объем газа; а — постоянная, характеризующая межмолекулярное взаимодействие, — постоянная, отражаю­щая собственный объем моля молекул, входит внутреннее давление, oпределяемое соотношением:

р_вн=а/ V² (1.3)

Так как мольный объем жидкостей при нормальных условиях в тысячи раз меньше мольного объема газов, то соотношение а/V² для жидкостей вмиллион раз больше, чем для газов. Это значит, что внутреннее давление р_вн к жидкостях очень велико, и поэтому можно пренебречь внешним давлением в уравнении Ван-дер-Ваа- льса. Тогда уравнение состояния для жидкостей примет вид:

A(V-b)/V²=RT или р_вн=RT/(V— b) (1.4)

Точную информацию о когезии и поверхностном натяжении можно получить из термодинамических характеристик тел, свя­занных с энергией парообразования. В процессе испарения ве­щества происходит полный разрыв межмолекулярных связей, поэтому работа когезии определяется энтальпией парообразования:

DH_n=DG_n+TDS_n (1.5)

где DG_n — изменение энергии Гиббса при парообразовании; DS _n—изменение энтропии при парообразовании.

Энтальпия парообразованиятвердых тел равна энергии кристаллической решетки.

В условиях равновесия между конденсированной и паровой фазами при p = const и Т=const DG_n= 0 и тогда

DН_п=ТDS_п (1.6)

Отсюда следует, что чем больше энтальпия парообразования, т. е. больше работа когезии, а значит и поверхностное натяже­ние, тем больше его энтропия. Так как

DS_п=DS_о-Rln(p/p_атм) (1.7)

где DS_о— изменение энтропии парообразованияпри температуре кипения: р_атм — давление пара , равное атмосферному давлению.

Чем больше работа когезии (больше поверхностное натяже­ние), тем меньше давление насыщенного пара над веществом при данной температуре (меньше летучесть).

Величина DS₀, отнесенная к 1 моль вещества, имеет при­близительно одинаковое значение для многих неассоциированных жидкостей (правило Трутона), равное 85 — 90 кДж/ /(моль -К) . Таким образом, когеэию таких жидкостей (и по­верхностное натяжение) можно оценивать и сравнивать по тем­пературе кипения и энтальпии (теплоте) парообразования при температуре кипения.

Когда мы говорим об избыточной поверхностной энергии на границе раздела фаз, о нескомпенсированных силах поверхностных молекул и атомов и другом их физическом состоянии (поверхностное натяжение) по сравнению с состоянием моле­кул и атомов в объеме фаз (когезия), то в первую очередь подчеркиваем особенность термодинамического состояния веществ в поверхностных слоях. Эта особенность в каждом отдельном случае проявляется в ненасыщенности определенных физических сил и химических связей, характерных для конденсированных фаз, а для твердых тел поверхностные свойства зависят также и от типа кристаллических решеток. Естественно, свойства по­верхности непосредственно отражают природу ионов, атомов и молекул, находящихся на ней.

Для жидкостей и большинства твердых тел когезионные си­лы выражаются в межмолекулярном взаимодействии, обуслов­ленном ван-дер-ваальсовыми и водородными связями. Оно от­личается от химического взаимодействия отсутствием специфич­ности и насыщаемости, небольшими энергиями, проявлением на значительно больших расстояниях. Разрыв таких связей приводит к формированию поверхности, обладающей соответст­венно перечисленными особенностями, т. е. способностью обра­зовывать ван-дер-ваальсовы и водородные связи с молекулами, попадающими на эту поверхность;

При разрушении твердых тел. имеющих атомную кристалли­ческую решетку (кристаллы углерода, германия, кремнии и др.) разрываются ковалентные связи. Реакционная способность ато­мов па поверхности таких тел чрезвычайно велика. В условиях вакуума они способны образовывать между собой двойные связи, а на воздухе чаще всего реагируют с кислородом, обра­зуя на поверхности оксидные пленки,

У ионных кристаллов распределение электрического заряда на поверхности значительно отличается от его распределения в объеме. В результате реакционная способность поверхности повышена к ионам противоположного заряда.

Из приведенных кратких сведений следует непосредственная взаимосвязь поверхностных свойств тел с их объемными свой­ствами. Разные кристаллические структуры резко отличаются по свойствам, в том числе и по энергии когезионных связей. Прослеживается уменьшение этой энергии в ряду кристаллов: ковалентные > ионные > металлические > молекулярные (ван-дер-ваальсовые). Кроме того, химическая и кристаллогра­фическая структура различных граней одного и того же кри­сталла может существенно различаться. Более плотная упаков­ка атомов отвечает меньшей поверхностной энергии Гиббса данной грани и

соответственно меньшей ее реакционной способ­ности.

Для большинства твердых веществ химические связи оказы­ваются смешанными. Например, оксиды металлов в зависимо­сти от природы металла, его степени окисления могут иметь различные доли ионной и ковалентной связей. Отсюда и неодно­значность реакционной способности поверхности.

Состав и структура твердых поверхностей зависят от усло­вий их образования и последующей обработки. Например, по­верхности оксидов в момент образования проявляют более вы­сокую химическую активность, чем после выдерживания их на воздухе и тем более при высоких температурах. Значительное влияние на свойства поверхности оксидов оказывает предварительное взаимодействие с парами воды, например, на поверх­ности алюмосиликатов изменяется количественное соотношение между бренстедовскими и льюнсовскими кислотными центрами. Переход кислоты Льюиса кислоту Бренстеда можно предста­вить следующим образом:

Таким образом, кислота, которая может принять электронную пару для образования ковалентной связи, в результате присо­единения молекул воды переходит в кислоту, способную отда­вать протон. Термообработка приводит к обратному процессу. Гидроксильные группы па поверхности смешанных оксидов также проявляют разную реакционную способность. Например. — ОН-группы на поверхности алюмосиликата могут связываться с атомом кремния, с атомом алюминия и с катионом щелочного металла. Кроме того, на реакционнойспособности гидроксильных групп сказывается взаимное влияние смешанных оксидов.

Глава 2.Адгезия и работа адгезии

Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсирован­ными фазами. Межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсирован­ных тел разной природы, называют адгезией (прилипанием). Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение опреде­ленной прочности, обусловленное межмолекулярными силами.

Различают адгезию между двумя жидкостями, между жид­костью и твердым телом и между двумя твердыми телами. Оче­видно, что смачивание и растекание предполагают наличие хо­тя бы одной из фаз в жидком состоянии и обусловлены адге­зионным взаимодействием. Адгезии между двумя твердыми те­лами почти всегда способствует предварительный перевод хотя бы одной из фаз в жидкое состояние для увеличения интенсив­ности молекулярно-кинетического движения и осуществления необходимого контакта. Поэтому, как правило, адгезия и смачивание сопровождают друг друга и соответствующим обра­зом характеризуют межфазное взаимодействие.

Из-за сложности протекающих процессов рассматриваемые о данном разделе межфазные явления до сих пор недостаточно изучены. Поэтому основное внимание будет уделено системам, в которых имеется хотя бы одна жидкая фаза, что позволяет обеспечивать равновесные обратимые условия и соответственна использовать термодинамические соотношении.

Адгезия — результат стремления системы к уменьшению по­пер. ч постной энергии. Поэтому адгезия является самопроизвольным процессом. Работа адгезии W_a, характеризующая прочность адгезионной связи, определяется работой обратимо­го разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Она измеряется в тех же единицах, что н поверхностное натя­жение (Дж/м²). Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел s, равна

W_s=W_as

Чтобы получить соотношение между работой адгезии и по­верхностными натяжениями взаимодействующихкомпонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 н 3, имеющие поверхности на границе с воздухом 1, равные единице площа­ди (рис. 1). Это могут быть две жидкости или жидкость и твердое тело. Для упрощения вывода будем считать, что они взаимно нерастворимы. При совмещении этих поверхностей, т. е. при нанесении одного вещества на другие, происходит ад­гезия. Так как система останется двухфазной, то возникнет межфазное натяжение, равное σ_2,3. В результате первоначаль­ная энергия Гиббса системы уменьшается на величину, равную работе адгезии, т. е.

DG+W_a=0 или W_a=-DG (2.1)

Для начального и конечною состояний системы имеем

G_нач=σ_2,3+σ_3,.1 и G_кон=σ_2,3 (2.2)

где σ_{2,1 ,} σ _{3,1 ,} σ_2,3- соответственно поверхностное натяжение второго и третьего тела на границе с газом и межфазное натяжение на границе второго тела с третьим.Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии равно

DG=G_кон-G_нач=σ_2,3-σ_2,1-σ_3,1

или

W_а =σ _2,1 +σ _3,1 -σ _2,3 (2.3)

Это 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. В то же время чем больше работа адгезии, т. е. межфазное взаимо­действие, тем меньше межфазное натяжение. Межфазное на­тяжение станет равным нулю, когда исчезнет межфазная по­верхность, что происходит при полном растворении фаз.

Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы их работ когезии. Очевидно, что здесь не учитывается энтропия смеше­ния, которая способствует растворению.

Соответствующим образом межфазное натяжение зависит и от температуры. Если с повышением температуры взаимная растворимость фаз повышается, то межфазное натяжение уменьшается. Если же взаимная растворимость фаз с повыше­нием температуры уменьшается, то межфазное натяжение уве­личивается. Такая зависимость наблюдается и для межфазной границы жидкость - твердое тело. Таким образом, производная da/dTдля границы раздела конденсированных фаз может быть меньше, больше и равна нулю.

Так как уменьшение межфазного натяжения сопряжено с тенденцией к выравниванию состава фаз, то оно может сни­зиться до нуля при достижении верхней или нижней критичес­кой температуры, т. с. при полном взаимном растворении фаз.

От работы адгезии необходимо отличать адгезионнуюпроч­ность W_n— работу, затраченную на разрушение адгезионного соединения. Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей (работа W_a), так и работа, затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения (работа деформации W_деф):

W_п = W_а + W_деф

Очевидно, чем прочнее адгезионное соединение, тем в боль­шей степени подвергаются деформации компоненты системы

к моменту ее разрушения. Работа деформации иногда может превышать обратимую работу адгезии н несколько раз. С рос­том скорости приложения нагрузки на систему роль деформа­ции возрастает.

Глава 3. Механизм процессов адгезии

Процесс образования адгезионной связи обычно делят на две стадии. На первой, так называемой транспортной стадии, про­исходит перемещение молекул адгезива (клеющего вещества, связующего) к поверхности субстрата (тело, на которое нано­сится адгезив) и их определенное ориентирование в межфазном слое, в результате чего обеспечивается тесный контакт между молекулами и функциональными группами молекул адгезива и субстрата. Протеканию первой стадии процесса адге­зии способствуют повышение температуры и давления, а также перевод одной из фаз (обычно адгезива) в жидкое состояние растворением или плавлением. Более тесный контакт между адгезивом и субстратом достигается после тшательной очистки взаимодействующих поверхностей.

Вторая стадия адгезии состоит в непосредственном взаимо­действии адгезива и субстрата, которое может быть обуслов­лено различными силами — от ван-дер-ваальсовых до химиче­ских. Силы ковалентных связей начинают действоватьна рас­стояниях между атомами и молекулами, не превышающих 0,5 нм. Действие ионных и ван-дер-ваальсовых сил проявляется на более дальних расстояниях—приблизительно от 1до 100 нм. Отсюда четко видна необходимость первой стадии процесса ад­гезии.Межмолекулярным взаимодействием контактирующих фаз завершаете» процесс адгезии, что соответствует минималь­но") межфазной (поверхностной) энергии. При склеивании твер­дых тел на этой стадии происходит затвердевание адгезива. Затвердевание наиболее трудно поддается количественному описанию.

Постадийное рассмотрение процесса адгезии позволяет сде­лать заключение, что между двумя жидкостями или жидкостью и твердым телом может быть достигнута максимальная адге­зия, так как между такими фазами обеспечивается полный контакт. Максимальная адгезия твердых тел практически не­достижима из-за неровности их поверхностей, соприкосновение которых происходит только в отдельных точках.

Различают несколько механизмов (и соответственно теорий адгезии) в зависимости от природы взаимодействующих тел и условий, при которых происходит адгезия. Механическая ад­гезия осуществляется путем затекания в поры и трещины поверхности твердого тела жидкого адгезива, который затем затвердевает, обеспечивая механическое зацепление с твердым телом. Согласно молекулярному (адсорбционному) механизму адгезия возникает под действием межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей. Для такой адгезии при­ложимо известное правило сходства веществ по полярности: чем ближе по полярности адгезив и субстрат, тем более прочен контакт между ним. Электрическая теория связывает адгезию с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела между адгезивом и субстратом. Отслаивание, как и раздвижение обкладок конденсатора, вызывает увеличение разности электрических потенциалов, которое обусловливает прочность адгезионного контакта. Диффузионный механизм пред­усматривает взаимное проникновение молекул и атомов в по­верхностные слои взаимодействующих фаз. Процесс диффузии приводит какбы к размыванию границы раздела фаз, взаим­ному их растворению в местах контакта. Отдельно выделяется механизм, обусловленный химическим взаимодействием при ад­гезии. В конкретных условиях один из механизмов может пре­обладать, чаще же механизм адгезии является смешанным.

Теоретическая оценка адгезии еше очень приближенна, что объясняется не только несовершенством уравнении, по которым рассчитываются силы межмолекулярных связей, но и тем, что невозможно оценить реальное число связей, приходящееся на единицу площади (оно всегда меньше теоретического, что говорит о возможности увеличения прочности соединения). Кроме того, трудно оценить истинную площадь контакта фаз.которая может быть намного больше визуально наблюдаемой благодаря наличию шероховатостей в поверхностном слое. Для обеспечения прочности соединения шероховатость часто увели­чивают путем специальной обработки поверхностей материалов. Работу адгезии и адгезионную прочность экспериментально определяют при непосредственном разрушении соединения. Работу адгезии можно определить и косвенными методами, ко­торые особенно удобны, если хотя бы одной из взаимодейст­вующих фаз является жидкость и можно измерить, например, краевой угол.

Глава 4. Связь работы адгезии с краевым углом

Уравнение Дюпре самостоятельно почти не использу­ется для расчета работы адгезии из-за трудности определения поверхностного натяжения твердых тел на границе с газом (воздухом) и жидкостью. Удобную для расчета этой величины форму имеет соотношение, получаемое в результате сочетания уравнения Дюпре с законом Юнга. Если разность σ_3,1-σ_2,3 в уравнении Дюпре заменить ее выражением из зако­на Юнга

σ _3,1-σ _2,3=σ _2,1cos θ

Получим

Wa=σ_2,1 +σ _2,1 cos θ =σ _2,1 (1+cos θ) (4.1)

или

Wа/σ _2,1= l+ сosq (4.2)

Уравнение (4.1) или (4.2) называют уравнением Дюпре — Юнга; оно связывает работу адгезии с краевым уг­лом и позволяет рассчитать работу адгезии, если известны поверхностное натяжение жидкости и краевой угол. Обе эти величины можно сравнительно легко определить эксперимен­тально.

Из уравнения (4.2) четко видно различие между явлени­ями адгезии и смачивания. Разделив обе части уравнения на 2, получим:

W_а/W_к=(1+ cosq)/2 (4.3)

Так как смачивание количественно характеризуется косинусом краевого угла, то в соответствии с уравнением (4.3) оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии д.ля смачивающей жидкости.

Принципиальное различие между поверхностными явления­ми адгезии и смачивания состоит в том, что смачивание имеет место при наличии трех сопряженных фаз.

Из уравнения (4.3) можно сделать следующие выводы: 1) при q = 0 cosq=l, W_а=1/2W_K,т.е. работа адгезии равна работе когезии смачивающей жидкости; 2) при q=90° cos q= 0, W_а=W_к, т.е. работа адгезии в два раза меньше работы коге­зии смачивающей жидкости; 3) при q=180⁰ cosq=-1, W_а = 0, такое состояние на практике не реализуется, поскольку неко­торая адгезия всегда существует, поэтому полного несмачивания в реальных системах также быть не может. Например, одно из самых больших значений краевого угла при смачива­нии водой наблюдается на поверхности фторопласта, соответ­ственно для этой системы характерна и наименьшая адгезия. Учитывая, что краевой угол равен 108, = 72,0 мДж/м²(при 25°С), из уравнения (4.2) получим работу адгезии, равную 50,3 мДж/м² (cos 108° = —0,31).

Большое практическое значение имеет информация, которую дают уравнения (4.2) и (4.3). Из них следует, что для увеличения смачивания надо увеличить работу адгезии или уменьшить работу когезии (поверхностное натяжение) жид­кости, например, введением ПАВ, изменением температуры. Лучше смачивает та жидкость, которая имеет меньшее поверх­ностное натяжение или работу когезии. Органические жидкос­ти характеризуются низкими поверхностными натяжениями и поэтому смачивают большинство поверхностей разной природы. Так, углеводороды, для которых d=17—28 мДж/м², смачивают почти все известные твердые тела. Вода смачивает только по­лярные вещества, а ртуть плохо смачивает или не смачивает большинство (особенно неметаллических) тел.

Адгезия в значительной степени определяется природой функциональных групп молекул контактирующих веществ. На­пример, близкие значения работы адгезии к воде имеют соеди­нения с одинаковыми функциональными группами (в двухфаз­ных системах жидкость — жидкость), изовалериановая (94,6 мДж/м) и гептиловая (94,8 мДж/м²) кислоты, бензол, толуол (66,6 мДж/м²). Это свидетельствует об ориентировании молекул в поверхностном слое при адгезии. На границе разде­ла фаз в сторону воды обращены гидрофильные группы ука­занных соединений, и они почти полностью обеспечивают адге­зию к воде. Разность между работой адгезии к воде и работой когезии контактирующей с ней жидкости может служить мерой полярности и гидрофильности последней. Например, для непо­лярных гексана и толуола эта разность соответственно равна 3,3 и 6,8 мДж/м², а для таких полярных соединений, как октиловый спирт и гептиловая кислота, соответственно 36,8 н 38,2 мДж/м².

Список используемой литературы

1.Балезин С.А., Парфенов Г.С. Основы физической и коллоидной химии.- М.,1964

2.Малахова А.Я.Практикум по физической и коллоидной химии. - Минск.,1974

3.ПисаренкоА.П.,Поспелова К.А.Курс коллоидной химии. - М.,1961

4.Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учеб . для ВУЗов.2-е изд., перераб. и доп.- М .,1988