1.2. Смачивание

Смачиванием называется поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым телом (или другой жидкостью) при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых – газ (чаще – воздух с насыщенным паром жидкости). Мерой смачивания служит краевой угол смачивания θ (или cosθ).

Рассмотрим каплю жидкости, нанесенную на ровную горизонтальную поверхность твердого тела. В зависимости от природы жидкости и твердого тела будут наблюдаться явления, показанные на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Равновесный краевой угол смачивания (θ):

а, б – при хорошем смачивании; в – при плохом смачивании поверхности;

контактирующие фазы: 1 – газ (пар), 2 - жидкость, 3 - твердое тело

Косинус равновесного краевого угла смачивания cos θ (рис.2.1, б) определяется из условия уравновешивания всех межмолекулярных сил (f), действующих по периметру площади контакта трех фаз.

Для межфазной границы справедливо равенство:

σ = (G_пов/Ω) Дж/м² = (f / L) Н/м, где Ω – площадь соприкосновения и L – длина периметра площади соприкосновения трех фаз. Поэтому косинус угла смачивания определяется удельными поверхностными энергиями σ_2/1, (жидкость - газ), σ_3/1 (твёрдое тело - газ) и σ_3/2 (твердое тело - жидкость), связанными соотношением

. (2.1)

Cлучаю полного растекания жидкости по поверхности (идеальному смачиванию) соответствует θ = 0° (соs θ = 1) При сохранении капли в форме шара (полное несмачивание) θ = 180° (cos θ = - 1). При θ = 90⁰ (сos θ = 0) капля имеет форму полусферы, а поверхность инертна по отношению к жидкости (межмолекулярные взаимодействия на границах твердое тело – газ и твердое тело- жидкость одинаковы).

При тупом краевом угле смачивания (180^o > θ > 90°) смачивание называют плохим (рис. 2.1в), а при остром - (0^o < θ < 90°) смачивание называется хорошим (2.1а,б).

В общем случае поведение капли жидкости на твердой поверхности определяется природой (химическим строением) вещества жидкой и твердой фаз. Поверхность из неполярных или малополярных веществ со слабыми межмолеклярными взаимодействиями (углерод, полиэтилен, тефлон, парафин и другие углеводороды, чистые металлы) плохо смачивается водой (полярное вещество, сильные межмолекулярные взаимодействия за счет водородных связей) и является гидрофобной (угол θ > 90^o), но хорошо смачивается органическими (малополярными) жидкостями и по отношению к ним является лиофильной (θ < 90^o).

И наоборот, поверхность из веществ с полярными молекулами и сильными межмолекулярными взаимодействиями, ионных кристаллов (стекло, минералы, гипс, оксиды металлов) хорошо смачивается водой и является гидрофильной (θ < 90^o), но плохо смачивается неполярными органическими жидкостями (углеводороды) и по отношению к ним является лиофобной (θ > 90^o).

Практически любую поверхность можно как гидрофобизировать, так и гидрофилизировать, используя поверхностно-активные вещества – ПАВ, за счет разной ориентации дифильных молекул ПАВ на поверхности при их адсорбции из раствора (см., например, рис. 1.6).