12.3 Явления смачивания и растекания, краевой угол.

Смачивание  это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердыми или жидкими телами при наличии одновременного контакта с воздухом.

Явления смачивания и растекания определяются поверхностным натяжением и интенсивностью взаимодействия молекул (частиц) различных веществ.

Различают иммерсионное смачивание, когда твердое тело полностью погружено в жидкость, и контактное смачивание, при котором одна фаза (твердая) имеет границы раздела с двумя другими фазами (жидкость, газ).

В последнем случае смачиванием называют процесс, при котором в системе из трех соприкасающихся фаз происходит уменьшение свободной энергии.

Рассмотрим явления смачивания на примере капли жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела. Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собою, то жидкость растекается по поверхности или, как говорят, смачивает ее. Растекание может происходить до тех пор, пока жидкость не покроет всю поверхность твердого тела. Такой случай называется полным смачиванием и наблюдается, например, при нанесении капли воды на поверхность чистого стекла. Если молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с молекулами твердого тела, растекания не происходит. Это наблюдается, например, при нанесении капли ртути на неметаллическую поверхность.

В зависимости от соотношения интенсивности молекулярных сил, действующих между молекулами жидкости и между молекулами жидкости и твердого тела, возможны переходные случаи неполного смачивания.

Поверхность капли жидкости образует с поверхностью твердого тела определенный угол, называемый краевым углом (Θ).

Краевой угол или косинус этого угла является количественной мерой смачивания. Он определяется как угол между твердой поверхностью и касательной к точке соприкосновения трех фаз. Если Θ > 90^o, то жидкость не смачивает поверхность твердого тела. Если Θ < 90^o  жидкость смачивает поверхность. Полного несмачивания (Θ = 180^o) практически никогда не наблюдается, так как между жидкостью и твердым телом всегда действуют силы притяжения. Различные случаи неполного смачивания представлены на рис. 1.

Рис. 1. Различные случаи неполного смачивания.

а — Θ < 90^o, б — Θ = 90^o, в — Θ > 90^o.

Для получения количественной связи рассмотрим состояние равновесия в трехфазной системе твердое тело – капля жидкости – газ (рис. 2).

Рис. 2. Схема для вывода условий смачивания поверхности каплей жидкости.

Если рассматривать поверхностное натяжение как силу, действующую на единицу длины периметра капли, то условие равновесия сил можно выразить как

, (5)

или

. (6)

Уравнение (6), определяющее условия смачивания поверхности каплей жидкости, называют уравнением Юнга. Величина cos  характеризует способность жидкости смачивать поверхность и называется смачиванием. Жидкость смачивает твердую поверхность (cos   0), если . Величина краевого угла зависит также от величины . Чем оно меньше, тем больше cos  и меньше угол .

Исходя из общего условия минимальной поверхностной энергии при равновесии соприкасающихся фаз, за меру смачивания тела жидкостью можно принять убыль свободной поверхностной энергии при образовании межфазной поверхности между жидкостью и твердым телом. Отсюда следует, что из двух жидкостей лучше смачивает данную поверхность та, при растекании которой поверхностная энергия системы уменьшается на большую величину.

Рассмотрим явление избирательного смачивания, которое было впервые исследовано П.А. Ребиндером. Пусть поверхность твердого тела находится в соприкосновении с полярной водой и каким – нибудь неполярным углеводородом. Если вода избирательно смачивает эту поверхность, то такая поверхность называется гидрофильной. Избирательное смачивание водой наблюдается, когда разность полярностей молекул между водой и твердым веществом меньше, чем между неполярным углеводородом и твердым веществом. К веществам с гидрофильной поверхностью относятся вещества с сильно выраженным межмолекулярным взаимодействием, например кварц, малахит, стекло, гипс, силикаты, карбонаты и др.

Если же твердое тело лучше смачивается неполярным углеводородом, то поверхность такого твердого тела называют гидрофобной. Избирательное смачивание неполярным углеводородом наблюдается тогда, когда разность полярностей молекул между углеводородом и твердым веществом меньше, чем между водой и этим веществом. К веществам с гидрофобной поверхностью относятся все углеводороды, тальк, графит, сера. При краевом угле, равном 90⁰, очевидно, будет наблюдаться промежуточный случай, когда избирательное смачивание отсутствует.

На явлении избирательного смачивания водой основана флотация – метод обогащения и разделения руд путем обработки их в тонко измельченном состоянии водой, содержащей масла и пенообразователи.

Если все минералы разместить в ряд соответственно возрастанию их твердости, то этот ряд, как указал П.А. Ребиндер, совпадает с рядом тех же минералов, расположенных по величине их избирательного смачивания водой. Минералы высокой твердости – кварц, корунд, алмаз – обладают очень высокой гидрофильностью.

Рассмотрим процесс растекания жидкости по поверхности другой жидкости. При нанесении на поверхность воды капли нерастворимой в ней жидкости (масла) в одних случаях происходит растекание капли, в других оно отсутствует. Это зависит от соотношения поверхностных натяжений на трех поверхностях раздела: вода – воздух (σ_в,г), вода – масло (любая органическая жидкость) (σ_в,м) и масло – воздух (σ_м,г). В системе самопроизвольно будет идти тот процесс, который приведет к минимуму поверхностной энергии Гиббса. Если σ_в,г < (σ_в,м + σ_м,г), то растекания не произойдет и капля под действием сил поверхностного натяжения и силы тяжести примет округлую форму. Если же σ_в,г > (σ_в,м + σ_м,г), то капля растекается по поверхности воды и принимает форму линзы. Мерой растекания служит коэффициент растекания

. (7)

Изменение удельной поверхностной энергии Гибсса G^S при растекании равно

.

Итак, если f  > 0, то G^S < 0 и капля растекается по поверхности жидкости,

если f  < 0, то G^S > 0 и растекание отсутствует.