Zjawiska powierzchniowe i ich zastosowanie w budownictwie
Badaniem zjawisk powierzchniowych zajmuje się dział zwany chemią powierzchni. Obejmuje on badania reakcji chemicznych zachodzących na granicy faz. Mechanizm samych reakcji jest taki sam, niezależnie od tego czy zachodzą one na powierzchni, czy też wewnątrz substancji, jednakże silny wpływ mają na nie rozmaite zjawiska powierzchniowe, takie jak adsorpcja, adhezja, kohezja, desorpcja, gromadzenie się powierzchniowego ładunku elektrycznego, a także zjawiska zachodzące tuż przy powierzchni, takie jak dyfuzja i przepływ. Na te zjawiska z kolei silny wpływ ma sama struktura powierzchni. Stąd chemia powierzchni zawiera w sobie zarówno elementy klasycznej chemii, jak i chemii fizycznej oraz fizyki ciała stałego.
1. NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE
Napięciem powierzchniowym nazywamy zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą, dzięki któremu powierzchnia ta zachowuje się jak sprężysta błona.
Mianem napięcia powierzchniowego określa się również wielkość fizyczną ujmującą to zjawisko ilościowo: jest to energia przypadająca na jednostkę powierzchni, lub praca potrzebna do rozciągnięcia powierzchni o tę jednostkę.
Przyczyną występowania napięcia powierzchniowego są siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami cieczy.
Współistnienie sił napięcia powierzchniowego, grawitacji i sił aerodynamicznych nadaje kształt spadającym w powietrzu kroplom deszczu. Pod nieobecność dodatkowych sił (np. w warunkach nieważkości), nieruchoma kropla cieczy (niezależnie od wielkości) przybrałaby kształt kuli, gdyż spośród wszystkich możliwych brył charakteryzuje się on najmniejszym możliwym stosunkiem powierzchni bocznej do objętości.
2. ADSORPCJA
Adsorpcja jest to zjawisko powodujące zagęszczenie gazu na powierzchni ciała stałego, zachodzące w skutek przyciągakącego oddziaływania atomów powierzchni na atomy gazu. Gaz nazywany jest adsorbatem, zaś ciało stałe adsorbentem.
Jeśli adsorbat wnika w głąb sieci krystalicznej lub porów adsorbentu to proces ten podobny do rozpuszczania nazywamy absorpcją.
Może mieć charakter chemiczny lub fizyczny. Typ adsorpcji można poznać śledząc jej przebieg w zależności od temperatury. W przypadku adsorpcji fizycznej zależność adsorpcji od temperatury jest niewielka, ciepło adsorpcji wynosi kilkadziesiąt kJ na mol, natomiast proces adsorpcji chemicznej zależy znacznie od temperatury, a ciepło adsorpcji ma zwykle wartość kilkuset kJ na mol. Ciepło adsorpcji ulega zmniejszeniu ze wzrostem pokrycia powierzchni adsorbentu.
Przykładowe astosowanie:
oczyszczanie wody i ścieków,
deodoryzacja powierza,
oczyszczanie powietrza,
w zatruciach pokarmowych.
3. ADHEZJA
Adhezja jest to łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz (stałych lub ciekłych). Adhezja wynika z oddziaływań międzycząsteczkowych stykających się substancji. Granicznym przypadkiem odróżniającym adhezję od reakcji chemicznej jest powstanie w łączonej warstwie nietrwałych wiązań chemicznych. Z makroskopowego punktu widzenia czystą adhezję opisuje się jako odwracalny termodynamiczny proces zachodzący w warstwie łączących się materiałów wynikający z różnicy napięć powierzchniowych na styku substancji.
Adhezja występuje m.in. przy klejeniu (kleje adhezyjne) i malowaniu, stosowaniu kartek i taśm przylepnych (folia adhezyjna). Zjawisko adhezji wykorzystywane jest przez niektóre zwierzęta do poruszania się po gładkich, pionowych powierzchniach lub liściach.
4. KOHEZJA
Kohezja inaczej spójność jest to zjawisko wzajemnego przyciągania się cząsteczek substancji w wyniku działania sił międzycząsteczkowych.
Kohezja ciał fizycznych zależy od wielu różnych czynników. Są to m.in.:
Stan skupienia - im wyższy stopień zorganizowania cząsteczek w ciele, tym zwykle siły kohezji są większe.
Oddziaływania międzycząsteczkowe między cząsteczkami tworzącymi ciało.
W przypadku ciał stałych: mikrostruktura, która odpowiada za występowanie takich zjawisk jak mikropęknięcia, dobre lub złe przenoszenie naprężeń mechanicznych.
5. INNE ZJAWISKA POWIERZCHNIOWE
Zjawiska elektrokapilarne
Flotacja
Desorpcja
Warstewki pasywujące i warstewki nalotowe
Zwilżalność materiałów
ZASTOSOWANIE
Napięcie powierzchniowe - spełnia istotną rolę w niektórych procesach metalurgicznych, np. spiekanie.
Adsorpcja -oczyszczanie wody i ścieków, dezodoryzacja powierza, oczyszczanie powietrza.
Adhezja -ma znaczenie w przypadku środków klejących, które służą do trwałego łączenia ze sobą powierzchni ciał stałych. Stosowana jest także w tworzeniu taśm przylepnych (folia adhezyjna- folia przylepna nie zawierająca kleju).
Piany i emulsje są przykładem współdziałania powierzchni międzyfazowych w różnych rodzajach napięcia materii. Obydwie substancje są stosowane jako materiały chroniące przed korozją tworzywa niemetaliczne.
Kohezja jest ważną cechą asfaltów drogowych stosowanych jako lepiszcza w mieszankach mineralno - asfaltowych w budownictwie drogowym.
Zjawiska elektrokapilarne odgrywają istotną rolę w procesach smarowania i tarcia
Kohezja i Adhezja odgrywają kluczową rolę w przemyśle farb, lakierów i klejów.