1.5. Смачивание и капиллярные явления

Жидкости - это вещества, которые сохраняют свой объем, но не имеют постоянной формы, принимая форму сосуда, в котором находятся.

Сохранение объема жидкости показывает, что между ее молекулами действуют силы притяжения, а расстояние между молекулами меньше радиуса молекулярного взаимодействия. Иными словами, в объеме, размеры которого меньше радиуса действия сил молекулярного взаимодействия, наблюдается упорядоченное, расположение молекул жидкости. Однако в объеме с размерами больше радиуса взаимодействия сил молекулярного притяжения доминируют силы броуновского движения молекул, что приводит к их хаотическому перемещению. Таким образом, все пространство, занятое жидкостью, состоит как бы из множества зародышей кристаллов, которые, однако, неустойчивы, распадаются в одном месте, но снова возникают в другом. В этом смысле говорят, что в жидкости существует ближний порядок. По своим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами.

Из явлений, связанных со свойствами жидкости, наиболее часто в технологических процессах имеют дело со смачиванием и капиллярными явлениями.

При контакте различных веществ с жидкостями наблюдаются различной степени силовые и физико-химические взаимодействия. Например, при опускании и вынимании стеклянной палочки в ртуть и в воду оказывается, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стекла, а молекулы воды притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам стекла. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество.

В целом при контакте жидкости с поверхностью твердого тела можно выделить два предельных случая: поверхность твердого тела горизонтальна, и поверхность твердого тела вертикальна.

Рассмотрим вариант с горизонтальной поверхностью.

При нанесении капли на твердую горизонтальную поверхность в атмосфере воздуха возникает периметр соприкосновения капли с поверхностью (периметр смачивания), в каждой точке которого сходятся силы поверхностного натяжения на границе твердое тело - газ, твердое тело - жидкость и жидкость - газ. Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности. Произвольная точка периметра смачивания станет точкой приложения трех указанных сил (рис. 1.1). При этом сила поверхностного натяжения _тт, действующая на границе раздела твердое тело -газ, может быть больше, равна или меньше силы поверхностного натяжения (более строго - межфазного натяжения) _тж на границе твердое - жидкое. В случае, когда _тж меньше, чем _тт, система, продвигаясь к состоянию с минимумом свободной энергии, будет стремиться заменить поверхность с большим энергетическим потенциалом _тт на поверхность раздела фаз с меньшим энергетическим потенциалом _тж, т.е. капля начнет растекаться по твердой .поверхности, смачивать ее (рис.1.1,а). Противоположная картина сложится, если _тг меньше _тж(рис. 1.1,б).

Рис. 1.1. Краевые углы для смачивающей (а) и несмачивающей (б)

жидкостей

При достижении равновесия получим соотношение, называемое уравнением Юнга:

_тг = _тж + _жг^.cos, (1.11)

где  - угол смачивания, образуемый каплей на поверхности твердого тела (измеряется со стороны жидкости).

Из рис. 1.1 следует, что при  < 90° жидкость смачивает, а при  > 90° не смачивает поверхность твердого тела (подложку). При полном смачивании cos  = 1, и жидкость растекается по поверхности твердого тела. Получить на поверхности тела каплю при полном смачивании нельзя. Полное несмачивание, т.е. краевой угол равный 180°, практически не встречается, так как между жидкостью и твердым телом всегда действуют силы притяжения. Однако теоретически капля жидкости на горизонтальной поверхности твердого тела в этом случае должна иметь форму шара.

Значения краевого угла, образуемого водой на поверхности различных твердых тел, в воздушной атмосфере равны: кварц и кальцит – 0^о, малахит – 17^о, пирит – (26…33)^о, графит – (55…60)^о, тальк – 69^о, сера – 78^о, парафин - 106°.

При вертикальном расположении твердой поверхности краевой угол  также сохраняется (рис. 1.2). В варианте смачивания жидкость у краев сосуда, в который она налита, приподнимется, а при несмачивании - опустится. В узких трубках искривится вся свободная поверхность жидкости. При круглом сечении трубки эта поверхность представляет собой часть поверхности сферы, которая называется мениском. У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск, а у несмачивающей - выпуклый.

Рис. 1.2. Форма поверхности смачивающей (а) и несмачивающей (б)

жидкостей и капиллярные явления в трубках

Так как площадь изогнутой поверхности мениска больше, чем площадь внутреннего сечения трубки, то жидкость, стремясь к минимуму энергии, под действием молекулярных сил будет пытаться создать плоскую поверхность. Возникает дополнительное давление Р. При смачивании (вогнутый мениск) оно направлено от жидкости, а при несмачивании (выпуклый мениск) - внутрь жидкости. Величина этого давления определена французским ученым П.Лапласом и потому его часто называют лапласовским.

При погружении узкой трубки в смачивающую жидкость лапласовское давление поднимает последнюю над ее уровнем в широком сосуде с плоским мениском. При несмачивающей жидкости имеет место противоположная картина (см. рис. 1.2). Явления, обусловленные втягиванием или выталкиванием жидкости в капиллярах (трубки, диаметр которых соизмерим с диаметром волоса), называются капиллярными явлениями.

Равновесная высота h подъема (опускания) жидкости в капилляре с радиусом r определяется по формуле

h = 2^.cos/(^.g^.r), (1.12)

где - поверхностное натяжение жидкости;  - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения.

Можно показать, что силы лапласовского давления не только поднимают и опускают жидкость в тонких капиллярах, но и стремятся притянуть (смачивающая жидкость) или оттолкнуть (несмачивающая жидкость) твердые поверхности, в контакте с которыми находятся (частицы круглой формы, параллельные пластины и т.д.).

Явления смачивания и капиллярные явления играют большую роль в природе. По капиллярам растений поднимается влага из почвы, достигая всех его частей вплоть до вершины. По капиллярам почвы влага поднимается на ее поверхность, где испаряется, а земля иссушается.

В технике смачивание и капиллярные явления в ряде случаев также играют определяющую роль, например при сушке капиллярно-пористых тел (древесина, бетон, другие строительные материалы), при окомковании мелких руд и концентратов (капиллярные силы обеспечивают получение окатышей), при обогащении полезных ископаемых, где ряд методов основан на различиях в смачиваемости компонентов руд, в процессах пропитки жидкостями различных твердых фаз, в частности огнеупоров - расплавами металлов и шлаков и т.д.