Змочування і розтікання, критерій змочування
Лабораторна робота №7
Тема: ЗМОЧУВАННЯ. ВИЗНАЧЕННЯ КРАЙОВОГО КУТА ЗМОЧУВАННЯ. Мета роботи:Визначити крайовий кут змочування гідрофобної твердої поверхні водними розчинами ПАР. Встановити точку інверсії крайового кута змочування. Оцінити роботу адгезії процесу змочування парафінованої скляної поверхні водними розчинами ПАР.
Теоретичні відомості Змочування і розтікання, критерій змочування Існуючі тверді поверхні можна розділити на гідрофобні (олеофільні) та гідрофільні (олеофобні) поверхні. Гідрофобними поверхнями називаються такі поверхні, які краще змочую-ться рідинами із нижчою діелектричною сталою, ніж вода. Змочування самочинний процес, що протікає зі зменшенням енергії Гіб-бса і повної енергії поверхневого шару. Поверхня розділу тверде тіло – рідина має меншу енергію, ніж тверде тіло - газ, а поверхня розділу рідина – газ має меншу енергію ніж тверде тіло – рідина. Змочування кількісно характеризують крайовим кутом. Крайовий кут визначається як кут між дотичною, проведеною до поверхні змочуючої ріди-ни і змочуваної поверхні твердого тіла, при цьому він завжди відраховується в бік рідкої фази (рис. 1) і позначається літерою грецького алфавіту тета - Q. Для зручності користуються не абсолютним значенням кута, а його косинусом - соs Q. Якщо молекули рідини взаємодіють із молекулами твердого тіла силь-ніше ніж між собою, то рідина буде розтікатись по поверхні іншими словами – змочуватиме її. Розтікання триватиме до повного покриття твердої поверхні мономолекулярними шаром розчину чи рідини. Такий випадок називають повним змочуванням (рис. 1, а).
а б в Рис. 1. Схематичне зображення крайового кута змочування для: а) розтікання; б) змочування і в) повного незмочування
Якщо на поверхню твердого тіла помістити краплю рідини, то в такій системі співіснують три різні поверхні поділу фаз, а саме, межа тверде тіло і ріди-на (Т-Р), рідина та газ (Р-Г), тверде тіло і газ (Т-Г) з поверхевим натягом sтр, sгр і sтг, відповідно. Лінія перетину всіх трьох поверхонь поділу називається лінією змочування. Розглядаючи поверхневий натяг як сили, прикладені перпендику-лярно до одиниці довжини пириметра змочування і такі, що діють по дотичній до відповідних поверхонь, можна записати умову рівноваги цих сил (див. рис. 1): s тг = s тр- s ррсоs Q; (1) або cos Q = s тг- s тр/ s рр (2) Рівняння (1) і (2) називають рівняннями Юнга. Залежно від значення рівноважного крайового кута Q можливі такі випадки. 1. Крайовий кут гострий Q<90°; соs Q>0; при цьому вважають, що поверхня змочена (чи “обмежено змочена”) рідиною (рис. 1, б). 2. Крайовий кут тупий, Q>90°; cos Q<0 у цьому випадку поверхня не змочена (чи “погано змочена”) рідиною (рис. 1, в). 3. Рівноважний крайовий кут не можна визначити і крапля розтікається у тонку плівку – тоді говорять про “повне зомочування” або розтікання. Відповідно до рівняння Юнга змочуванню відповідає умова sн>sтр; не-змочуванню - sн>sгр; а розтіканню - sн>sгр+sрр. Величина W p=sтг-sтр-sрр являє собою зміну енергії системи у випадку покриття одиниці площі поверхні твердого тіла шаром рідини. Її можна розглядати як поверхню розтікання або силу, проведену перпендикулярно до одиниці довжини периметра змочування вздовж поверхні твердого тіла. Величину W р інколи називають коефіцієнтом розтікання. Зменшення поверхневого натягу міжфазових поверхонь під час адсорбції поверхнево – активних речовин різної природи створює можливість тонкого регулювання умов змочування чи вибіркового змочування поверхонь твердих тіл рідинами. Є два основних шляхи використання ПАР для керування влас-тивостями поверхонь твердого тіла: попереднє нанесення на поверхню міцно-закріпленого адсорбційного шару, який модифікує поверхню в контакті з якою перебуває тверде тіло; внесення в рідину, що змочує тверду поверхню ПАР.
|
