Смачивание и краевой угол. Закон Юнга

 

Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздухом).

Степень смачивания количественно характеризуется косинусом краевого угла (угла смачивания), или просто краевым углом (углом смачивания).

При нанесении небольшого количества жидкости, например, капли на поверхность другой жидкости, имеющей большую плотность, или на поверхность твёрдого тела можно наблюдать два процесса, если приводимые в контакт вещества взаимно нерастворимы. В одном случае нанесенная жидкость остается на поверхности другой фазы в виде капли, принявшей при установившемся равновесии определенную форму. В другом случае капля растекается по поверхности. Вначале рассмотрим первый процесс, когда капля не растекается полностью по поверхности другого тела.

 

Рис.28. К выводу уравнения для краевого угла (закона Юнга).

 

Рис.28 иллюстрирует состояние капли жидкости на поверхности твёрдого тела в условиях равновесия. Поверхностная энергия твёрдого тела, стремясь уменьшиться, вызывает растяжение капли по поверхности. Эта энергия равна поверхностному натяжению твёрдого тела на границе с воздухом s_{3, 1}. Межфазная энергия на границе твёрдого тела с жидкостью s_{2, 3} стремится, наоборот, сжать каплю, т. е. поверхностная энергия уменьшается за счет снижения площади поверхности. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направлено от границы между твёрдой, жидкой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно s_{2, 1} (силы гравитации не учитываются). Угол q, который образован касательными к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, имеющий вершину на линии раздела трех фаз, называется краевым углом смачивания.

Так как поверхностное натяжение можно рассматривать как энергию, приходящуюся на единицу площади, или как силу, действующую на единицу длины, то все рассмотренные составляющие поверхностной энергии можно выразить с помощью векторов сил. При равновесии между ними соблюдается следующее соотношение:

(XI.2)

Полученное соотношение называется законом Юнга. Отсюда количественную характеристику смачивания – косинус краевого угла можно выразить через поверхностные и межфазное натяжения:

(XI.3)

Чем меньше угол q и соответственно больше cos q, тем лучше смачивается поверхность. При остром угле q, т. е. при cos q > 0, поверхность считают хорошо смачиваемой данной жидкостью. Если угол q тупой, т. е. cos q < 0, то по отношению к данной жидкости поверхность смачивается плохо (часто говорят «не смачивается»). Таким образом, границей между смачиваемостью и несмачиваемостью является угол q = 90°, или cos q = 0. Полного несмачивания, т. е. такого положения, когда краевой угол равен 180°, практически никогда не наблюдается, так как при соприкосновении конденсированных тел поверхностная энергия всегда уменьшается и s_{2, 3} не может оставаться равной сумме s_{3, 1} + s_{2, 1}.

Смачиваемость водой некоторых твёрдых тел характеризуется следующими краевыми углами: кварц – 0°; малахит – 17°, графит – 55°, тальк – 69°; парафин – 106°. Хуже всего смачивается водой фторопласт, на котором угол смачивания водой 108°.

Различные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверхность. Согласно приближенному правилу лучше смачивает поверхность та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веществу (она сильнее с ним взаимодействует) и имеет меньшее поверхностное натяжение.

При нанесении на поверхность твёрдого тела двух жидкостей, нерастворимых друг в друге, между ними образуется краевой угол, характеризующий относительную способность этих жидкостей смачивать данное тело, т. е. избирательность смачивания. Очевидно, что та жидкость, которая лучше смачивает поверхность, обладает большей избирательной смачивающей способностью по отношению к данному веществу (его поверхности).

Для сравнительной оценки смачиваемости поверхностей различными жидкостями обычно сопоставление проводят с водой. Если между нанесенными на поверхность водой и неполярным углеводородом краевой угол меньше 90° со стороны воды, то поверхность называют гидрофильной или олеофобной. Если же краевой угол меньше 90° со стороны неполярного углеводорода, то поверхность будет олеофильной или гидрофобной. Гидрофильную поверхность имеют, например, оксиды и гидроксиды металлов, силикаты, сульфаты, карбонаты. Гидрофобной поверхностью обладают органические соединения с большим содержанием углеводородных групп, сульфиды металлов и др.