Содержание

Введение

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:

Wк = 2σ (1.1)

Применительно к идеальному твердому телу (отсутствие дефектов структуры) величину Wк 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, b — постоянная, отражаю­щая собственный объем моля молекул, входит внутреннее давление, oпределяемое соотношением:

рвн=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 в миллион раз больше, чем для газов. Это значит, что внутреннее давление рвн 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 рвн =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:

DHn=DGn+TDSn (1.5)

где DGn — 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 DGn= 0 и тогда

DНп=ТDSп (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

DSп=DSо-Rln(p/pатм) (1.7)

где DSо— изменение энтропии парообразованияпри температуре кипения: ратм — 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.