Смачивание

Смачивание - проявление межмолекулярного взаимодействия на границе соприкосновения трёх фаз - твёрдого тела, жидкости и газа (или др. жидкости, не смешивающейся с первой), выражающееся в растекании жидкости по поверхности твёрдого тела.

На поверхности раздела трех фаз, например, твердой стенки, жидкости и газа между поверхностью жидкости и твердой стенкой образуется так называемый краевой угол θ. Величина краевого угла зависит от природы соприкасающихся сред (от поверхностных натяжений на их пределах) и не зависит ни от формы сосуда, ни от действия силы тяжести.

Жидкая поверхность раздела, пересекая твёрдую поверхность по некоторой линии, наз. периметром смачивания, образует с ней краевой угол в (рис. 1).

Р ис. 1. Различные случаи смачи-вавия поверхности твёрдого тела 3 при нанесении на неё капли жидкости 1 (верхние половины рисунка, где 2 - воздух) или двух несмешивающихся жидкостей - воды 1 и углеводородного соединения 2 (нижние половины рисунка):

а - полное смачивание сверху и полное несмачивание жидкостью 2 снизу;

б - твёрдое тело лучше смачивается жидкостью 1, чем жидкостью 2;

в - твёрдое тело лучше смачивается жидкостью 2, чем жидкостью 1

Смачивание проявляется также на искривлении свободной поверхности жидкости (или поверхности раздела несмешивающихся жидкостей) около стенок сосуда (рис. 2).

Рис. 2. Смачивание стенок трубки различными жидкостями: слева - полное смачивание (0 = 0); в центре - частичное смачивание (0< <О <90°); справа - несмачивание (О > 90°); 1 - жидкость; 2 - воздух; 3 - твёрдая поверхность стенок трубки

Мерой смачивания служит величина

cos = (б₂₃ - б₁₃)/б₁₂

где б₁₂, б₁₃ и б₂₃- поверхностное натяжение на границе раздела соответствующих фаз (рис. 3).

Рис. 3. Растекание кайли жидкости по частично смачиваемой ею твёрдой поверхности: 1 - капля жидкости; 2 - воздух или насыщенный пар жидкости; 3 - твёрдая поверхность

Величина б_ik равна работе, к-рую нужно затратить для образования единицы площади поверхности раздела i-й и k-й фаз в обратимом изотермич. процессе.

Предельные случаи:

1) =0 - полное смачивание,

2)  = 180° - полное несмачивание.

Смачивание играет большую роль в различных технологичических процессах:

- крашении,

- пайке,

- лужении,

- амальгамировании,

- флотации

и т. д.

Если край жидкости поднят, ее поверхность имеет вогнутую форму - краевой угол острый. В этом случае жидкость смачивает твердую поверхность. Чем хуже смачивающая способность жидкости, тем больше краевой угол. При θ> 90 жидкость считается несмачивающая, при полном несмачивание θ = 180 . Капли такой жидкости словно пидгортаються, пытаясь уменьшить площадь контакта с твердой поверхностью.

Капиллярные явления

От явления смачивания зависит поведение жидкости в тонкой (капиллярной) трубке, погруженной в нее.

Капиллярные явления – явления, вызываемые влиянием сил межмолекулярного взаимодействия на равновесие и движение свободной поверхности жидкости, поверхности раздела несмешивающихся жидкостей и границ жидкостей с твёрдыми телами.

Наиболее распространённый пример: поднятие или опускание жидкости в узких трубках (капиллярах) и в пористых средах, обусловливающие, напр., миграцию воды в почве.

Капиллярные явления вызываются добавочным, т. н. капиллярным давлением р₀ , которое создаётся поверхностным натяжением (б) на искривленной поверхности (мениске) жидкости в капилляре.

Рис. Капиллярные явления: а - поднятие жидкости, смачивающей стенки капилляра; б - опускание жидкости, не смачивающей стенки капилляра

В случае смачивания жидкость в трубке поднимается над уровнем свободной поверхности, в противном случае - опускается.

По закону Лапласа

р₀=2б/r

где r - ср. радиус кривизны поверхности жидкости.

В круглом капилляре радиуса r₀ высота Н подъёма жидкости, смачивающей стенки и высота опускания не смачивающей (см. рис.) определяются ф-лой Жюренаэ

где γ - удельный вес жидкости; r - радиус трубки.

Капиллярные явления определяют условия образования зародышей конденсации, кипения, кристаллизации и играют важную роль в технике (напр., в процессах сушки).

Понижение давления пара над вогнутой поверхностью жидкости обусловливает конденсацию пара в порах смачиваемых пористых тел (капиллярная конденсация), чем, напр., объясняется гигроскопичность.

Гигроскопичность – (от "гигро" и греч. "skopeo" – "наблюдаю") - свойство материалов поглощать (сорбировать) влагу из воздуха за счёт образования химических соединений с водой или за счёт капиллярной конденсации (т. е. образования жидкой фазы в смачиваемых данной жидкостью капиллярах, порах, микротрещинах твёрдого сорбента или в местах контакта его частиц между собой).

Свойства гигрскопичности важны:

- при расчётах влагоизоляции,

- оценке долговечности конструкций,

- при длительном хранении и транспортировании материалов,

- для осушения воздуха (гигроскопичное вещество - серная кислота).