5.6 Смачивание, краевой угол смачивания, теплота смачивания, гидрофилизация и гидрофобизация поверхностей.

Явления растекания и смачивания характеризуют межфазное взаимодействие на границе трех фаз. Если нанести на поверхность твердого тела или жидкости каплю другой жидкости , то можно наблюдать, что капля будет либо растекаться по поверхности, либо нет. При этом реализуется явление адгезии жидкости - один из видов адгезионного взаимодействия при контакте жидкости с твердой поверхностью. На рис. V.5 изображен вид капли в разных состояниях. Обозначения: 1- твердое тело, 2 - жидкость, 3 - газ.

3 3 3

2 2

Рисунок V.5 - Смачивание жидкостью поверхности твердого тела

В первом случае капля хорошо смачивает поверхность твердого тела, а во втором - слабо. Это зависит от соотношения сил поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Силы поверхностного натяжения изображены как векторы, направленные по касательной к границе раздела фаз. В первом случае поверхностное натяжение на границе “твердое тело – газ” (σ_1.3) выше, чем поверхностное натяжение на границе “ жидкость – твердое тело” (σ_2,3). Во втором случае наблюдается обратное соотношение σ₂₃> σ_1.3. Дополнительный вклад в это соотношение вносит поверхностное натяжение на границе фаз “жидкость – газ” (σ_1.2). Это величина равна

σ΄= σ_12*cosΘ,

где Θ– угол между вектором поверхностного натяжения жидкости на границе с воздухом и поверхностью твердого тела, который всегда отсчитывается в сторону жидкой фазы.

Угол Θназывается краевым углом смачивания, который является мерой смачивания поверхности.

Условия смачивания поверхности можно записать в виде:

ΔG=G₂+G_2,3–G₁= σ_2,3+ σ_1,2cosΘ- σ_1,3< 0,

σ_2,3+ σ_1,2cosΘ< σ_1,3,

Θ< 90^о,cosΘ> 0.

Соответственно условиями несмачивания поверхности являются:

ΔG=G₂+G_2,3–G₁= σ_2,3+ σ_1,2cosΘ- σ_1,3> 0,

σ_2,3+ σ_1,2 cosΘ> σ_1,3,

Θ> 90^о,cosΘ< 0.

cosΘопределяется по закону Юнга:

cosΘ= (σ_1,3- σ_2,3) / σ_1,2. (V.7)

Работу адгезии можно выразить, используя угол смачивания:

W_A = σ_1,2* (1+cos Θ). (V.8)

Чем больше адгезия, тем больше cosΘ, тем лучше смачивание. Условие смачивания можно записать как соотношение работы адгезии и работы когезии:

W_A > 0,5W_К. (V.9)

Теплота смачивания поверхности λ определяется соотношением:

λ = S_уд *(ΔG_т-г–ΔG_т-ж), (V.10)

где ΔG- полная поверхностная энергия на соответствующей границе раздела фаз.

Для сравнительной оценки смачивания введены термины лиофильной (если Θ< 90^о) и лиофобной (если Θ> 90^о) поверхности.

Поверхность лучше смачивает та жидкость, которая ближе к ней по полярности и имеет меньшее поверхностное натяжение. Для улучшения смачивания нужно снизить поверхностное натяжение жидкости. Для этого в систему вводят поверхностно-активные вещества ( ПАВ). Молекулы этих веществ содержат полярные и неполярные группы. Такие молекулы принято изображать , линия соответствует неполярной части, а кружок – полярной части молекулы. При адгезии ПАВ происходит ориентация молекул на поверхности раздела фаз (рис.V.6). В результате поверхность как бы меняет свою полярность. Это явление называется гидрофилизация или гидрофобизация поверхности. Гидрофилизация – придание поверхности способности смачиваться водой, а гидрофобизация – придание способности несмачиваться водой в результате обработки поверхности ПАВ.

Рисунок V.6 - Образование пленки ПАВ на границе раздела фаз