Реферат: Явление когезии и адгезии

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_a s

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 негоследует, 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 / dT для 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