Тема 2. Поверхностные явления

2.1. Явление смачивания

 

Смачивание - это поверхностное явление, происходящее при взаимодействии жидкости с поверхностью твердого тела или с поверхностью второй жидкости, не смешивающейся с первой.

Явление смачивания всегда связано с тремя граничащими фазами: твердым телом, жидкостью и газом или второй жидкостью.

Силы поверхностного натяжения на границе «твердое тело - газ» -s_тг стремятся растянуть каплю по поверхности твердого тела. Силы поверхностных натяжений на границах «твердое - жидкость» -s_тж и «жидкость - газ» -s_жг препятствуют растеканию.

Когда сумма векторов этих сил будет равна нулю, растекание прекращается, наступает равновесие, и капля жидкости принимает одну из форм, показанных на рисунке 2.1.

Условие равновесия сил может быть записано следующим образом:

 

s_тг = s_тж + s_жг соs q (2.1)

 

Откуда соs q = (2.2)

 

Соотношение (2.2) называется уравнением Юнга. Угол q (тэта) между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз называется краевым углом или углом смачивания.

2.2. Понятие о когезии и адгезии

Силы притяжения, действующие между молекулами внутри одной фазы, называются силами когезии. Эти силы определяют существование веществ в конденсированном состоянии, поэтому их называют еще силами слияния.

Силы, действующие между молекулами, находящимися в разных фазах, называются силами адгезии (прилипания).

Работа, необходимая для разрыва однородной объемной фазы, называется работой когезии (W_k). Ее относят к единице площади разрыва, поэтому размерность работы когезии совпадает с размерностью поверхностного натяжения (Дж/м²).

При разрыве объемной фазы образуется поверхность в две единицы площади, поэтому работа когезии равна:

 

W_k = 2s, (2.3)

 

где s - поверхностное натяжение на границе образовавшейся поверхности с воздухом или жидкостью (если разрыв происходит в жидкой среде).

Полная работа против сил когезии (А_k), приходящаяся на всю площадь разрыва (S), равна:

 

А_k = W_kS = 2sS (2.4)

 

Работа разрыва сил адгезии, то есть двух контактирующих фаз, называется работой адгезии (W_a). Она тоже относится к единице площади поверхности разрыва.

По закону сохранения энергии работа адгезии равна (уравнение Дюпре):

 

W_a = s_жг + s_тг – s_тж

2.3. Связь смачивания и растекания с когезией и адгезией

 

В связи с отсутствием точных значений поверхностного натяжения на границах «твердое тело– газ» и «твердое тело – жидкость» (s_тг и s_тж) вычислить работу адгезии по уравнению (2.5) обычно нельзя. Задача упрощается после подстановки уравнения (2.1) в уравнение (2.5).

При этом получается уравнение Дюпре – Юнга

 

W_a = s_жг(1 + соs q) (2.5)

2.4. Влияние поверхностно - активных веществ на смачивание

 

Смачивающая способность жидкостей определяется природой веществ, из которых состоят контактирующие поверхности. Если изменить состав поверхностных слоев, то изменяются межфазные поверхностные натяжения (например, s_тг, s_тв и s_вг), а значит и степень смачивания поверхности. Для этих целей используют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз. В результате адсорбции изменяется состав поверхности и величина межфазных поверхностных натяжений. При этом влияние ПАВ на смачивание зависит от того, на какой поверхности они адсорбируются.

Раствор ПАВ наносится на гидрофобную поверхность, не смачиваемую или плохо смачиваемую водой. С увеличением в растворе концентрации ПАВ адсорбция молекул ПАВ возрастает. В результате поверхность твердого тела становится все менее и менее гидрофобной, происходит так называемая гидрофилизация поверхности.

Гидрофильную поверхность можно превратить в гидрофобную, если поверхность обработать ПАВ, нерастворимым в воде, например, органической жирной кислотой. Молекулы ПАВ адсорбируются на гидрофильной поверхности и образуют адсорбционный слой, в котором полярные группы молекул обращены к полярной поверхности, а неполярные углеводородные радикалы – в неполярный воздух.

Если на такую поверхность нанести каплю воды, то она не будет смачивать поверхность. Этот процесс называется гидрофобизацией поверхности, а ПАВ – гидрофобизатором