Лабораторна робота №7 Тема: змочування. Визначення крайового кута змочування.

Мета роботи: Визначити крайовий кут змочування гідрофобної твердої поверхні водними розчинами ПАР. Встановити точку інверсії крайового кута змочування. Оцінити роботу адгезії процесу змочування парафінованої скляної поверхні водними розчинами ПАР.

Теоретичні відомості Змочування і розтікання, критерій змочування

Існуючі тверді поверхні можна розділити на гідрофобні (олеофільні) та гідрофільні (олеофобні) поверхні.

Гідрофобними поверхнями називаються такі поверхні, які краще змочую-ться рідинами із нижчою діелектричною сталою, ніж вода.

Змочування самочинний процес, що протікає зі зменшенням енергії Гіб-бса і повної енергії поверхневого шару. Поверхня розділу тверде тіло – рідина має меншу енергію, ніж тверде тіло  газ, а поверхня розділу рідина – газ має меншу енергію ніж тверде тіло – рідина.

Змочування кількісно характеризують крайовим кутом. Крайовий кут визначається як кут між дотичною, проведеною до поверхні змочуючої ріди-ни і змочуваної поверхні твердого тіла, при цьому він завжди відраховується в бік рідкої фази (рис. 1) і позначається літерою грецького алфавіту тета - . Для зручності користуються не абсолютним значенням кута, а його косинусом  соs .

Якщо молекули рідини взаємодіють із молекулами твердого тіла силь-ніше ніж між собою, то рідина буде розтікатись по поверхні іншими словами – змочуватиме її. Розтікання триватиме до повного покриття твердої поверхні мономолекулярними шаром розчину чи рідини. Такий випадок називають повним змочуванням (рис. 1, а).

а б в

Рис. 1. Схематичне зображення крайового кута змочування для: а) розтікання; б) змочування і в) повного незмочування

Якщо на поверхню твердого тіла помістити краплю рідини, то в такій системі співіснують три різні поверхні поділу фаз, а саме, межа тверде тіло і ріди-на (ТР), рідина та газ (РГ), тверде тіло і газ (ТГ) з поверхевим натягом _тр, _гр і _тг, відповідно. Лінія перетину всіх трьох поверхонь поділу називається лінією змочування. Розглядаючи поверхневий натяг як сили, прикладені перпендику-лярно до одиниці довжини пириметра змочування і такі, що діють по дотичній до відповідних поверхонь, можна записати умову рівноваги цих сил (див. рис. 1):

_тг =_тр_ррсоs ; (1)

або cos  = _тг_тр/_рр (2)

Рівняння (1) і (2) називають рівняннями Юнга.

Залежно від значення рівноважного крайового кута  можливі такі випадки.

1. Крайовий кут гострий <90; соs >0; при цьому вважають, що поверхня змочена (чи “обмежено змочена”) рідиною (рис. 1, б).

2. Крайовий кут тупий, >90; cos <0 у цьому випадку поверхня не змочена (чи “погано змочена”) рідиною (рис. 1, в).

3. Рівноважний крайовий кут не можна визначити і крапля розтікається у тонку плівку – тоді говорять про “повне зомочування” або розтікання.

Відповідно до рівняння Юнга змочуванню відповідає умова _н>_тр; не-змочуванню  _н>_гр; а розтіканню  _н>_гр+_рр. Величина W_p=_тг-_тр-_рр являє собою зміну енергії системи у випадку покриття одиниці площі поверхні твердого тіла шаром рідини. Її можна розглядати як поверхню розтікання або силу, проведену перпендикулярно до одиниці довжини периметра змочування вздовж поверхні твердого тіла. Величину W_р інколи називають коефіцієнтом розтікання.

Зменшення поверхневого натягу міжфазових поверхонь під час адсорбції поверхнево – активних речовин різної природи створює можливість тонкого регулювання умов змочування чи вибіркового змочування поверхонь твердих тіл рідинами. Є два основних шляхи використання ПАР для керування влас-тивостями поверхонь твердого тіла: попереднє нанесення на поверхню міцно-закріпленого адсорбційного шару, який модифікує поверхню в контакті з якою перебуває тверде тіло; внесення в рідину, що змочує тверду поверхню ПАР.