Анализ уравнения Юнга
1. Если σТГ> σТЖ, то cos θ > 0 и θ < 90° (краевой угол смачивания) острый – смачивание.
Пример: вода на поверхности металла, покрытого оксидной пленкой. Чем меньше угол θ и больше cos θ , тем лучше смачивание.
Рис.9.4. Несмачивание |
2. Если σТГ < σТЖ, то cos θ < 0 и θ > 90° (краевой угол смачивания тупой) – несмачивание. Пример: вода на парафине или тефлоне. |
3. Если σТГ = σТЖ, то cos θ = 0 и θ = 90° – граница между смачиваемостью и несмачиваемостью.
4.
Если
,
то cos
θ = 1 и θ
= 0° – полное
смачивание (растекание) –
капля растекается в тонкую пленку.
Пример: ртуть на поверхности свинца,
очищенного от оксидной пленки.
Полного несмачивания, то есть такого положения, когда θ = 180°, не наблюдается, так как при соприкосновении конденсированных тел поверхностная энергия всегда уменьшается.
Смачиваемость водой некоторых твердых тел характеризуется следующими краевыми углами: кварц – 0°, малахит – 17° , графит – 55°, парафин – 106°. Хуже всего смачивается водой тефлон, краевой угол смачивания – 120°.
Различные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверхность. Согласно приближенному правилу – лучше смачивает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веществу.
По виду избирательного смачивания все твердые тела делят на три группы:
Гидрофильные (олеофобные) материалы – лучше смачиваются водой, чем неполярными углеводородами: кварц, силикаты, карбонаты, оксиды и гидроксиды металлов, минералы (краевой угол меньше 90° со стороны воды).
Гидрофобные (олеофильные) материалы – лучше смачиваются неполярными жидкостями, чем водой: графит, уголь, сера, парафин, тефлон.
Пример 9.1. Определите краевой угол смачивания, образованный каплей воды на твердом теле, если поверхностное натяжение на границе воздух твердое тело, вода-твердое тело и вода-воздух соответственно равны: 0,057; 0,020; 0,074 Дж/м2. Будет ли вода смачивать данную поверхность?
Решение:
По
закону Юнга:
cos θ < 0 и θ > 90° – данная поверхность водой не смачивается.
Флотация
Флотация относится к наиболее распространенным методам обогащения полезных ископаемых. Этим методом обогащается около 90% руд цветных металлов, уголь, сера и другие природные материалы.
Флотационное обогащение (разделение) основано на различной смачиваемости водой ценных минералов и пустой породы. В случае пенной флотации через водную суспензию измельченной руды (пульпу) барботируют воздух, к пузырькам которого прилипают гидрофобные частицы ценного минерала (чистые металлы или их сульфиды), всплывающие затем на поверхность воды, и с образовавшейся пеной снимаются механически для дальнейшей переработки. Пустая порода (кварц, алюмосиликаты) хорошо смачивается водой и оседает во флотационных машинах.
Пример 9.2. Порошок кварца и серы высыпали на поверхность воды. Какое явление можно ожидать, если краевой угол смачивания для кварца 0°, а для серы 78°.
Решение:
Так как для кварца θ = 0° – полное смачивание, то кварц будет полностью смачиваться водой и оседать на дно емкости. Краевой угол смачивания для серы близок к 90°, следовательно, порошок серы будет образовывать суспензию на поверхности воды.