2.5.2. Краевой угол смачивания и работа адгезии

Уравнение Дюпре самостоятельно почти не используется для расчета W_aиз-за трудности определения σ_т/ги σ_т/ж. Удобную для расчета этой величины форму имеет соотношение, полученное в результате сочетания уравнения Дюпре с законом Юнга. Если разность (σ_т/г - σ_т/ж) в уравнении Дюпре заменить на σ_ж/гcosθуравнения Юнга, получимуравнение Дюпре — Юнга:

W_a= σ_ж/г+ σ_ж/гcosθ= σ_ж/г(1+cosθ), (2.122)

в котором обе величины определяются экспериментально.

При рассмотрении смачивания поверхностей можно сделать следующие выводы:

1. Лиофильныеповерхности (гидрофильные, олеофобные)

Полное смачивание: θ = 0^о; cosθ = 1,. W_a = W_к

Смачивание: 0^о<θ=90^о; 0<cosθ <1; 1/2W_к <W_a< W_к

2. Лиофобныеповерхности (гидрофобные, олеофильные)

Полное несмачивание:θ = 180^о; cosθ = -1,. W_a = 0

Несмачивание: 90^о<θ=180^о; -1<cosθ<0; 1/2W_к<W_a<1/2W_к

Разберем, почему органические жидкости смачивают любые поверхности:

а) работа когезииводы W_к = 2 σ_ж/г≈ 144 мДж/м²

В когезионные силы воды входят все виды В—д—В взаимодействия, водородные связи, поэтому вода будет хорошо смачивать полярные поверхности (например, стекло), с которыми у нее будут сильные взаимодействия, в этом случаеW_к ≈W_a.;

с неполярными поверхностями(парафин) взаимодействие молекул воды ограничивается только теми силами, которые действуют внутри неполярной фазы, т.е. дисперсионными (+ индукционными), поэтомуW_a<<W_{к Н2О}

б) для неполярной органической жидкости W_к = 2σ_ж/г≈ 45 мДж/м², поэтому для любой поверхности такая работа когезии одного порядка с работой адгезии между контактирующими фазами.

Лучше смачивает данную поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к смачивающему веществу.

Чем выше полярность жидкости, тем слабее ее смачивающие свойства: ртуть смачивает только некоторые металлы, вода — полярные поверхности, органические жидкости — любые поверхности.

2.5.3. Избирательное смачивание

При нанесении на поверхность двух жидкостей, нерастворимых друг в друге, между ними образуется краевой угол, характеризующий относительную способность этих жидкостей смачивать данное тело. Т.е. проявляется избирательность смачивания.

Для сравнительной оценки смачиваемости поверхности сопоставление проводят по сравнению с водой, если угол 0< θ<90^о со стороны полярной жидкости (Н₂О), то поверхностьгидрофильна.Гидрофильные поверхности — оксиды, гидроксиды, соли и т.д.

Если угол θ<90^о со стороны углеводорода, то поверхностьгидрофобна. Схематически избирательное смачивание можно проиллюстрировать так:

С₆Н₆Н₂О Н₂О

С₆Н₆

Гидрофильная пов. Гидрофобная пов.

Рис.2.42. Схематическое изображение избирательного смачивания

На избирательном смачиванииосновано явлениефлотации. Флотация — избирательное смачивание. Частицы не тонут, если они гидрофобны, т.е. испытывают влияние флотационной силы, направленной перпендикулярно поверхности жидкой фазы. Ее действие направлено вверх; если частицы смачиваются водным раствором, флотационная сила направлена вниз, поэтому частицы тонут.