Поверхностные натяжения твердых тел

"Вблизи точки плавления тонкая металлическая проволока вследствие поверхностного натяжения укорачивается" [2]. За счет уплотнения поверхностный слой твердых тел приобретает большую прочность. Следствием этого является то, что при вдавливании штампа в упругую поверхность (задача Штаермана) максимальное напряжение наблюдается по контуру штампа (где из-за более высокой прочности поверхностного слоя жесткость штампа оказывается выше). Более высокой прочностью можно объяснить и повышенную прочность трубчатых конструкций (по сравнению с цельнометаллическими конструкциями). Тонкая проволока с высокой удельной поверхностью (по сравнению с объемом тела) может быть в десятки раз прочнее, чем стержни значительных размеров (с малой удельной поверхностью). При разрыве стержней поверхностные слои разрываются в последнюю очередь.

Основной вклад в поверхностную энергию твердых тел вносят электростатические, межмолекулярные и полярные силы.

Электростатические силы - это кулоновские силы нескомпенсированных зарядов (разорванных молекул) на поверхности твердого тела. Полярные силы — это силы обусловленные поляризацией молекул поверхности тела благодаря гибридизации орбиталей атомов под воздействием других атомов с высокой электроотрицательностью.

Электроотрицательность характеризует способность атома к поляризации ковалентных связей. Если при образовании молекулы, состоящей из атомов А и В электроны смещаются в сторону атома В, он считается более электроотрицательным. Для количественной оценки Л. Полинг предложил метод, согласно которому электроотрицательность атомов определяется исходя из энергий связи молекул А-В. В соответствии с этим методом Л. Полинг каждому атому присвоил численное значение. Наивысшей электроотрицательностью обладает фтор -4, наименьшей цезий - 0,7.

Кроме шкалы Полинга существует еще около 20 шкал электроотрицательностей, но по расположению элементов в порядке возрастания электроотрицательностей они сходны.

Энергию полярности по Полингу можно определить по формуле:

, (1.19)

где Э_В и Э_А - электроотрицательности атомов, входящих в молекулу.

Тогда, молекулы твердого тела состоят из гетерогенных атомов различной электроотрицательности. В результате разности электроотрицательностей атомов как спаренные орбитали, так и орбитали с неподеленными парами подвергаются гибридизации, т.е. орбитали вытягиваются в сторону атомов с большей электроотрицательностью (см. рис.1.2). Молекула таким образом поляризуется (образуется диполь): со стороны атома с высокой электроотрицательностью молекула приобретает отрицательный, а со стороны атома с малой электроотрицательностью – положительный заряд. Степень поляризации a определяют по величине дипольного момента.

Полярные молекулы поверхности твердого тела могут вызывать поляризацию в контактирующем теле или жидкости. Поляризуемость атома растет с увеличением ионного радиуса и уменьшения заряда. Поляризующее действие ионов также зависит от заряда и ионного радиуса. Оно тем значительнее, чем больше заряд и меньше ионный радиус.

С повышением температуры поляризуемость возрастает.

С учетом поляризуемости молекул, энергию полярной ковалентной связи можно выразить формулой:

,

где - энергия связи между атомами, Е_n – энергия поляризации.

Поиск по сайту: