Для хрупких тел метод нулевой ползучести неприменим. (Обоснуйте, почему.) Какой метод используют для определения поверхностного натяжения хрупких тел?

Помимо изучения равновесия конденсация-испарение, представления о кривизне поверхности используются для описания процессов растворения частиц твердых веществ. Приведите соответствующее уравнение и проанализируйте его.

Уравнение, устанавливающее зависимость между равновесной растворимостью твердых тел и размером частиц (который определяет кривизну их поверхности) получено Гиббсом, Фрейндлихом и Оствальдом и носит их имена:

,

где cr – растворимость вещества в высокодисперсном состоянии; c∞ – растворимость крупных частиц вещества, т. е. макросопической фазы, образованной частицами с малой кривизной поверхности, для которых можно пренебречь давлением Лапласа.

Представим себе твердое тело, растворяющееся в жидкости. Оно образовано либо отдельными частицами, которые чаще всего имеют неодинаковый размер и неправильную форму и включают выступы и углубления, либо компактным материалом, который состоит из сросшихся частиц. Компактные тела также обычно имеют множество выступов и углублений. Для твердых тел, имеющих такую структуру на основании уравнения Гиббса-Фрейндлиха-Оствальда можно сделать следующие важные выводы:

-Участки, которые представляют собой выступы, характеризуются положительной кривизной, и растворимость таких участков будут повышена по сравнению с идеальной плоской поверхностью; в противоположность, равновесная растворимость углублений с отрицательной кривизной будет меньше. (Проследите аналогию с процессами испарения-конденсации!) В результате в насыщенном растворе происходит преимущественное растворение выступов и «зарастание» углублений. Вследствие стремления системы к выравниванию химических потенциалов во всех ее частях теоретически по истечению определенного времени все выступы и углубления должны исчезнуть и сформироваться плоская поверхность. В реальных системах установление такого состояния обычно ограничено кинетическими факторами, т. е. процессы рекристаллизации идут очень медленно.

-Вследствие того, что частицы растворяемого вещества обычно имеют неодинаковые размеры, различна кривизна их поверхности и, соответственно, различны химические потенциалы каждой фракции. В результате растворимость мелких частиц оказывается большей, чем крупных. Стремление системы к состоянию термодинамического равновесия приводит к наращиванию более крупных частиц за счет растворения более мелких.

Отметим, что уравнение Гиббса-Фрейндлиха-Оствальда может быть использовано для определения поверхностного натяжения твердых тел. (Подумайте, почему такой метод будет неточным.)

Основная характеристика свойств поверхности раздела фаз – поверхностная энергия (поверхностное натяжение) может быть с большой точностью и относительно легко определена для границ раздела фаз ЖГ и ЖЖ. Определить поверхностное натяжение твердых тел гораздо сложнее. (С чем это связано? Для чего необходимо ее определять?) Какой метод наиболее часто используется для определения поверхностного натяжения пластичных тел? В чем суть этого метода?

Наиболее широко распространен метод нулевой ползучести, разработанный Тамманом и Удиным, который позволяет оценить поверхностное натяжение пластичных твердых тел вблизи точки плавления. Суть метода заключается в том, что вблизи точки плавления твердого тела существенно возрастает подвижность отдельных атомов и атомных группировок. В результате происходит стягивание контура тела с силой, пропорциональной поверхностному натяжению (вспомните, как поверхностное натяжение стягивает жидкость в капли!). Для нахождения этой силы к тонким полоскам из изучаемого материала с одинаковыми линейными размерами подвешивают гири с разной массой и всю систему тщательно термостатируют, задав температуру, несколько меньшую точки плавления вещества. В итоге на полоски будут действовать две силы – сила поверхностного натяжения, направленная вверх к неподвижной опоре, и сила тяжести, направленная в противоположную сторону. Причем сила поверхностного натяжения превышает силу тяжести, т. к. пластинки тонкие и их собственным весом пренебрегают. В тех случаях, когда вес груза недостаточно велик для уравновешивания силы поверхностного натяжения, пластинки укорачиваются, в противоположном случае – удлиняются. Обратимость деформации, которая является необходимым условием измерений, достигается при таком весе груза, когда пластинка не изменяет своей длины. При проведении эксперимента нет необходимости точно подбирать вес, необходимый для выполнения этого условия, т. к. обычно зависимость длины пластинки от приложенного веса имеет линейный характер. Поэтому достаточно графически отобразить зависимость удлинения от веса и, соединив точки прямой, найти вес, соответствующий нулевому растяжению пластинки. Поверхностное натяжение рассчитывается по формуле:

.

Для этого применяют метод расщепления по плоскости спайности, разработанный Обреивым. В этом методе измеряют силу Fc, которую необходимо приложить, чтобы заранее образованная в твердом теле трещина стала развиваться далее. Поверхностное натяжение вычисляют по формуле:

,

где l, d, h – длина, ширина и толщина отщепляемой пластинки, E – модуль Юнга.

(Укажите на недостатки метода.)

Вопросы и задания для самоконтроля знаний по материалу 9-й лекции

 

1.
Опишите явления, которые будут иметь место при погружении стеклянного и полиэтиленового капилляра в воду.

2.
Для какой жидкости: уксусной или пропионовой кислоты разность давления в капле и над поверхностью капли будет больше?

3.
Какие величины влияют на высоту капиллярного поднятия жидкости?

4.
Какой метод определения поверхностного натяжения можно предложить для медной пластинки, слюды, графита?

5.
Чему равно приращение энергии Гиббса для капель жировой фракции, которое достигается за счет диспергирования жира в майонезе, если межфазное поверхностное натяжение 55 мДж/м2, молярный объем жира 0,19 м3/моль, а диаметр капель 35 мкм.

 

Знакомимся с основными понятиями физической химии (для курсантов военного факультета)

Повторяем курс физической химии (для студентов химического факультета)

 

1.
...............

 

ЛЕКЦИЯ 10
«Краситель, растворенный в воде, удерживается поверхностью ткани, чернила – волокнами бумаги, примеси в воздухе – активированным углем, силикагелем, алюмогелем, удобрения – поверхностью почвы, шерстяная ткань захватывает совей поверхностью молекулы газов, составляющих воздух, чем и объясняется ее хорошая термоизолирующая способность, кожа наших рук – частицы загрязнений и т. д. Это явление носит название адсорбции (от лат. sorbeo – втягиваю, поглощаю)»

Н.Н. Цюрупа