§ 4. Смачивание

Смачивание – явление самопроизвольного растекания капли на твердой поверхности. При этом явлении σ_тг > σ_тж.

Процесс растекания останавливается, когда σ_жг становится соизмеримо со значением σ_тг — σ_тж. При неограниченном растекании σ_тг — σ_тж > σ_жг.

Рис. . Краевой угол смачивания: а) смачивание, б) несмачивание (пунктиром обозначена исходная капля).

Мерой смачивания является равновесный краевой угол Θ – угол между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз.

Условились считать угол Θ в сторону жидкой фазы.

Уравнение, определяющее условие смачивания (закон Юнга) имеет вид

4.1.1

Из анализа уравнения 4.1.1. следует:

1. σ_тг > σ_тж, cosΘ > 0, Θ < 90^o – смачивание

2. σ_тг < σ_тж, cosΘ < 0, Θ > 90^o – несмачивание

3. σ_тг = σ_тж, cosΘ = 0, Θ = 90^o

Часто величины σ_тг и σ_тж неизвестны, поэтому рассматривают работу молекулярных сил.

Когезия (слипание) – явление, которое вызывают силы, действующие между молекулами внутри фазы.

Адгезия (прилипание) – явление, которое вызывают силы, действующие между молекулами, находящимися в разных фазах.

Работа когезий (W_c) – работа, необходимая для разрыва однородной объемной фазы.

4.1.2.

(цифра 2 – вместо одной поверхности получаются 2 поверхности)

Работа адгезий (W_a) – работа разрыва межфазного поверхностного слоя. В результате этой работы образуются две новые поверхности, и исчезает исходная межфазная граница.

4.1.3

Из уравнений 4.1.1. и 4.1.3. следует уравнение Дюпре:

4.1.4

По уравнению 4.1.4. W_a можно вычислить из экспериментальных данных σ_жг и cosΘ.

Из уравнения 4.1.4. видно, что чем больше адгезия (работа адгезий), тем больше cosΘ, т.е. смачивание.

Силы межфазного взаимодействия (адгезионные силы) стремятся растянуть каплю, а силы когезии стягивают каплю до полусферы, препятствуя растеканию. Условия смачивания можно выразить через работу (на основе уравнения 4.1.4.):

W_a > 0,5 W_c 4.1.5

Для случая полного несмачивания (Θ = 180°, cos Θ = - 1) W_a = 0. Это – нереализуемый случай. Обычно краевые углы не превышают 150°. При W_a = W_c растекание неограниченно, Θ = 0. При неограниченном растекании W_a ≤ W_c.

W_a – W_c называется коэффициентом растекания.

При смачивании водой ионной поверхности (стекло, кристаллические соли) ион-дипольное взаимодействие (W_a) будет больше, чем диполь-дипольное (W_c).

Гидрофильные поверхности – кварц, стекло, оксиды, гидроксиды металлов, окисленные минералы; гидрофобные – твердые углеводороды, их фторированные производные, листья растений, хитиновый покров насекомых, кожа животных.

Избирательное смачивание имеет место при установлении равновесия между поверхностью раздела двух несмешивающихся жидкостей (воды ж₁ и углеводорода ж₂) и твердой поверхностью. При этом краевой угол принято отсчитывать в сторону более полярной поверхности, имеющей большее поверхностное натяжение (в данном случае – воды).

4.1.6

Важной количественной характеристикой энергии смачивания, гидрофильности, гидрофобности твердой поверхности служит удельная теплота смачивания – количество энергии, выделяемое при смачивании единицы массы твердого тела. Эта величина равна разности полных поверхностных энергий границы раздела фаз твердое тело – газ и твердое тело – жидкость.