Зарегистрироваться

Смачивание

Категории Коллоидная химия | Под редакцией сообщества: Химия

Эта версия статьи от 19 Октябрь 2010 13:48, редактировал Соболева Оксана Анатольевна
Список всех версий Перейти к списку версий
Перейти к последней версии

Смачивание.

Смачивание – весьма распространенное физико-химическое явление, с которого начинается, как правило, взаимодействие жидкостей с поверхностью твердых тел, и которое играет важную роль во многих природных и технологических процессах.  Термодинамическое равновесие при контакте капли жидкости с твердой поверхностью определяется минимумом свободной поверхностной энергии системы и характеризуется величиной краевого угла смачивания θ (рис. 1). Краевой угол - это угол между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкость/газ с вершиной в точке контакта трех фаз. Краевой угол отсчитывается в сторону жидкости.

 

Рис. 1. Капля на твердой поверхности

Равновесный краевой угол θ определяется законом Юнга:

      (1)

где -  σТГ, σТЖ и σЖГ  - удельные свободные поверхностные энергии на границах раздела твердое тело/газ, твердое тело/ жидкость и жидкость/газ.

Величина краевого угла θ зависит от соотношения работ адгезии жидкости к твердому телу (WА = ТГ + ЖГ - ТЖ) и когезии в жидкой фазе (WK=2σЖГ). Эти соотношения позволяют рассчитать работу адгезии жидкости к твердому телу, используя экспериментально определяемые величины σЖГ и cosθ:

                                               WA= σЖГ (1+cosθ)                    (2)

 В свою очередь, подстановка выражений для работ адгезии и когезии в уравнение Юнга дает их связь с величиной краевого угла:


                     (3)

            В зависимости от значений угла θ различают случаи несмачивания, ограниченного смачивания и растекания (полного смачивания), которым соответствуют определенные соотношения между удельными величинами поверхностных энергий, WA и WК

1).  Несмачивание: краевой угол θ>900 (cosθ<0). Согласно уравнению Юнга, при несмачивании σТГ < σТЖ. Физический смысл этого неравенства заключается в том, что самопроизвольное растекание жидкости по данной твердой поверхности термодинамически невыгодно, поскольку замена границы твердое тело/газ на границу твердое тело/жидкость приводит к росту поверхностной энергии системы. Из уравнения III-3 следует термодинамическое условие несмачивания WAK/2. Это неравенство выполняется, если силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела существенно слабее сил межмолекулярного взаимодействия внутри жидкой фазы. Так, при нанесении капли воды на неполярную поверхность (например, парафин, фторсодержащие полимеры) адгезия осуществляется дисперсионными силами, а когезия воды–дисперсионными (≈30%), и полярными (≈70%). В этом случае реализуется термодинамическое условие несмачивания и наблюдается краевой угол, превышающий 900.

2). Ограниченное смачивание: краевой угол θ<900 (cosθ>0). Термодинамическое условие смачивания: σТГ > σТЖ. Это неравенство означает, что замена поверхности твердое тело/газ на поверхность твердое тело/жидкость, то есть увеличение смоченной площади, термодинамически выгодно. Однако при этом происходит рост площади поверхности жидкость/газ, сопровождающийся увеличением поверхностной энергии данной границы. Когда выигрыш энергии за счет разницы (σТГТЖ) уже не будет компенсировать рост энергии в результате увеличения площади поверхности жидкость/газ, устанавливается равновесное значение краевого угла 0<θ<900. Этому состоянию отвечает минимум свободной энергии. Случаю ограниченного смачивания соответствует WК/2АК.

Из приведенного соотношения следует, что условие ограниченного смачивания реализуется, если энергия молекулярных взаимодействий между жидкостью и твердым телом соизмерима с энергией взаимодействия внутри жидкости. Так, неполярные жидкости (например, предельные углеводороды) смачивают любые поверхности, поскольку они способны взаимодействовать с твердыми телами только дисперсионными силами, которые определяют и характер взаимодействий внутри жидкой фазы. При смачивании водой полярных поверхностей (например, силикатов) энергия взаимодействия воды с твердыми поверхностями оказывается соизмеримой с энергией взаимодействия между молекулами воды. В этом случае взаимодействия осуществляются не только за счет дисперсионных сил, но и полярных, включая образование водородных связей. В результате вода хорошо смачивает силикаты.

3). Полное смачивание (растекание): равновесный краевой угол не устанавливается, и капля растекается в тонкую пленку. Термодинамическое условие растекания σТГ > σТЖ + σЖГ, то есть замена поверхности раздела σТГ на две возникающие поверхности раздела, характеризуемые σТЖ и σЖГ, термодинамически выгодна. В этом случае WА>WК. Примером растекания служит поведение капли воды на поверхности кварца или капли ртути на поверхности цинка (в отсутствие окисной пленки).

Так как поверхности полярных твердых тел хорошо смачиваются водой, а неполярные жидкости хорошо смачивают все твердые поверхности, величины краевых углов на воздухе не позволяют судить о степени родства жидкости к твердому телу. Более информативными являются краевые углы избирательного смачивания, когда твердая поверхность контактирует одновременно с двумя жидкостями: водой и углеводородом. Такая ситуация возникает при нанесении капли воды (Ж1) на твердую пластину, погруженную в углеводородную жидкость (Ж2). Краевой угол избирательного смачивания принято отсчитывать в сторону полярной жидкости. Равновесное значение краевого угла избирательного смачивания определяется из уравнения Юнга, записываемого в виде:

                               (4)

где  σТЖ1, σТЖ2 и σЖ1Ж2 - значения удельных свободных поверхностных энергий на границах раздела твердое тело/углеводород, твердое тело/вода и углеводород/вода соответственно. Если вода лучше, чем углеводород, смачивает поверхность, то θ<900 и поверхность называют гидрофильной. Если поверхность лучше смачивается углеводородом, то θ>900 и поверхность называют гидрофобной. Примерами материалов с гидрофильной поверхностью являются  кварц, стекло, оксиды и гидроксиды металлов, а с гидрофобной - парафин, тефлон (политетрафторэтилен), полиэтилен, листья некоторых растений, хитиновый покров насекомых и др.

При смачивании реальных твердых тел наблюдается гистерезис смачивания, под которым понимают способность жидкости образовывать при контакте с твердым телом краевые углы, отличные от равновесных углов. Например, краевые углы зависят от порядка соприкосновения с твердой поверхностью контактирующих фаз (так называемый порядковый гистерезис): углы натекания, образующиеся при нанесении капли жидкости на твердую поверхность, как правило, больше углов оттекания, формирующихся при подведении пузырька воздуха к той же поверхности, погруженной в жидкость. Гистерезис смачивания может быть вызван загрязнениями поверхности, ее химической и геометрической неоднородностью, формированием на поверхности смачивающих пленок и другими причинами.

Значительное влияние на измеряемые краевые углы оказывает микрогеометрия поверхности твердого тела, ее шероховатость. Шероховатость поверхности характеризуется коэффициентом шероховатости К, равным отношению фактической площади поверхности Sист к площади ее проекции на идеализированную плоскую поверхность Sид: К=Sист/Sид. Связь краевого угла на шероховатой поверхности θэфф с равновесным краевым углом θ на гладкой поверхности дает уравнение Венцеля-Дерягина:

cosθэфф = К cosθ

Поскольку К>1, то по модулю |cosθэфф| > |cosθ|. Таким образом, шероховатость поверхности улучшает смачивание (θэфф < θ, если θ<900) и ухудшает несмачивание (θэфф > θ, если θ>900).

Эффективно влиять на смачивание можно с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ): при добавлении ПАВ в водные растворы краевые углы капель на гидрофобных поверхностях уменьшаются, и наблюдается переход от несмачивания к смачиванию. Напротив, формируя адсорбционные слои ПАВ на исходно гидрофильных поверхностях, можно такие поверхности гидрофобизовать, то есть сделать их несмачиваемыми водой.

 

Рекомендованная литература.

1.      Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. 4-е изд., исправ. – М.: Высш. шк. 2006.

2.      Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. – М.: Химия, 1976.

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.