Смачивание

Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другими жидкими телами при наличии одновременного контакта с воздухом. Явления смачивания близки к адсорбционным, так как и те и другие определяются интенсивностью взаимодействия между молекулами различных веществ.

Рассмотрим явление смачивания на примере капли жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела (существует также явление смачивания одной жидкости другой). При этом могут наблюдаться два крайних случая.

1 случай. Капля жидкости самопроизвольно растекается на поверхности, пока не покроет всю поверхность или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Это полное смачивание. Пример: капля воды на обезжиренном стекле.

2 случай. Капля жидкости на твердой поверхности самопроизвольно принимает почти сферическую форму. В этом случае говорят, что твердая поверхность не смачивается жидкостью, наблюдается полное несмачивание. Пример: капля ртути на неметаллической поверхности.

Между этими крайними случаями наблюдаются различные промежуточные, когда поверхность частично смачивается жидкостью.

Из термодинамики вы знаете, что самопроизвольно протекают процессы, приводящие к уменьшению свободной энергии системы. В данном случае процесс протекает на поверхности, следовательно, он должен сопровождаться уменьшением свободной поверхностной энергии, которая характеризуется поверхностным натяжением . До того, как каплю нанесли на твердую поверхность, эта поверхность находилась в контакте с воздухом и имела поверхностное натяжение _тв-г. Поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом _ж-г. Когда капля оказалась на твердой поверхности, между ними возникла граница, которая характеризуется поверхностным натяжением _тв-ж. Следовательно, поведение капли определяется соотношением _тв-г. и _тв-ж. Если _тв-г. > _тв-ж, то системе выгодно, чтобы капля закрыла часть твердой поверхности, т. е. растеклась по ней. При этом происходит частичная замена поверхности с большей поверхностной энергией ( _тв-г.) поверхностью с меньшей свободной энергией ( _тв-ж), что, естественно, приводит к уменьшению запаса энергии в системе. Однако если капля жидкости будет растекаться, то увеличится площадь поверхности «жидкость – газ», а это приведет к увеличению свободной энергии системы. Отсюда можно сделать вывод, что если ( _тв-г. – _тв-ж) > _ж-г, будет происходить полное смачивание. Если ( _тв-г. – _тв-ж) соизмеримо с _ж-г, жидкость будет ограниченно растекаться по поверхности.

В том случае, когда _тв-г. < _тв-ж, наблюдается несмачивание твердого тела жидкостью, так как появление в системе поверхности (твердое тело – жидкость) вместо (твердое тело – газ) привело бы к увеличению свободной энергии системы. В этом случае капля жидкости в идеале должна принять сферическую форму и контактировать с твердой поверхностью только одной точкой, но в действительности на каплю жидкости действует сила тяжести, несколько сплющивая ее, поэтому форма капли лишь близка к сферической.

Мерой смачивания является краевой угол , иногда его называют углом смачивания.

Краевой угол () – это угол, который образует капля с поверхностью твердого тела со стороны жидкости. Это угол между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения фаз (угол всегда измеряют со стороны жидкости).

На рис. 5.1 показаны капли, образующие с поверхностью краевые углы < 90°, = 90°, > 90°.

Рис. 5.1. Различные случаи неполного смачивания

Если вода на твердой поверхности образует < 90°, то такую поверхность называют гидрофильной, если > 90°, то поверхность называют гидрофобной.

Приводим значения краевого угла, образуемого водой на поверхности различных твердых тел в атмосфере воздуха: кварц – 0°; малахит – 17°; графит – 55 – 60°; тальк – 69°; сера – 78°; парафин – 106°; фторопласт – 108°. Очевидно, что чем больше краевой угол, тем в меньшей степени жидкость смачивает поверхность твердого тела. Как было указано выше, степень смачивания, а значит, и краевой угол зависят от соотношения величин поверхностного натяжения на границах: воздух – твердое тело _тв-г., жидкость-твердое тело _тв-ж и воздух – жидкость _ж-г.

В условиях равновесия эта зависимость выражается уравнением Юнга'.

или (5.7)

Из уравнения (5.7) следует, что если _тв-г. > _тв-ж; cos > 0; < 90° – смачивание полное или частичное; если _тв-г. < _тв-ж; cos < 0; > 90° – несмачивание.