Т – твёрдая фаза, Ж – жидкая фаза, Г – газ). [2, стр. 66].

Величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз определяет такое важное свойство жидкостей и расплавов, как смачивающая способность. Степень смачивания определяется соотношением величин поверхностного натяжения соприкасающихся фаз. Способность к смачиванию характеризуется так называемым краевым углом смачивания (рис. 2). Краевым углом смачивания твёрдой фазы жидкой (расплавом) называется угол, образованный поверхностью твёрдой фазы и касательной к поверхности жидкой фазы, проведенной из точки соприкосновения трёх фаз – жидкой (капля расплава), твёрдой (твёрдая поверхность) и газообразной (газовая атмосфера) и замеренный в жидкой фазе.

Краевой угол смачивания ϴ служит мерой смачивающей способности расплава или жидкости. При ϴ < 90° (т.е. при остром угле) расплав смачивает твёрдую поверхность, а при ϴ > 90° (т.е. при тупом угле) – не смачивает. Чем больше краевой угол смачивания, тем хуже смачивание, и наоборот.

Величина краевого угла смачивания зависит, прежде всего, от природы соприкасающихся фаз и температуры (обратная зависимость). Следует, однако, иметь в виду, что в статических условиях эта величина зависит и от ряда других факторов, например размера капли, шероховатости твёрдой поверхности, времени соприкосновения фаз и т.д.

Условия равновесия на границе трёх фаз определяются уравнением:

ϭ_ТГ = ϭ_ТЖ + ϭ_ЖГcosϴ,

где ϭ_ТГ – поверхностное натяжение на границе твёрдая фаза – газ;

ϭ_ТЖ – поверхностное натяжение на границе твёрдая фаза – жидкость;

ϭ_ЖГ – поверхностное натяжение на границе жидкость – газ;

ϴ – краевой угол смачивания.

Из приведенного уравнения следует:

 

 

Соответственно, смачивание поверхности твёрдого тела жидкостью будет тем лучше, чем больше поверхностное натяжение на границе твёрдое тело – газ (ϭ_ТГ) и меньше на границах твёрдое тело – жидкость (ϭ_ТЖ) и жидкость – газ (ϭ_ЖГ), т.е. при увеличении cosϴ и уменьшении угла ϴ. Равновесная форма капли на поверхности твёрдого тела соответствует минимальной поверхностной энергии всех присутствующих фаз. Если энергия поверхности раздела твёрдая фаза – жидкость велика, капля стремится принять форму шара, чтобы уменьшить поверхность соприкосновения этих фаз. Если же велика энергия поверхности раздела твёрдая фаза – газ, капля стремится растечься по возможно большей площади, чтобы устранить эту поверхность. Образно говоря, вектор ϭ_ТГ стремится как бы растянуть каплю по поверхности твёрдого тела (рис. 2), т.е. улучшить смачивание, а векторы ϭ_ТЖ и ϭ_ЖГ – как бы сжать каплю, придать ей сферическую форму, т.е. ухудшить смачивание.

При ϴ = 0° (cosϴ = 1) имеют место абсолютное смачивание предельное растяжение жидкости по поверхности твёрдой фазы, при этом ϭ_ТГ = ϭ_ТЖ + ϭ_ЖГ. Абсолютное несмачивание отвечает значению ϴ = 180° (cosϴ = – 1), при этом ϭ_ТГ = ϭ_ТЖ – ϭ_ЖГ. Краевой угол, равный 90° (cosϴ = 0), является граничным углом между смачиванием и несмачиванием, при этом ϭ_ТГ = ϭ_ТЖ.

Поверхностные свойства растворов. Поверхностные свойства растворов отличаются от поверхностных свойств чистых жидкостей прежде всего тем, что состав поверхностного слоя в той или иной степени отличен от состава внутренних слоёв раствора. Поверхностное натяжение раствора может сильно зависеть от состава поверхностного слоя, и самопроизвольно протекающим процессом будет увеличение содержания в поверхностном слое того из компонентов раствора, от прибавления которого уменьшается поверхностное натяжение и тем самым понижается общий изобарный потенциал системы. Этому процессу противодействует процесс диффузии, обусловленный тепловым движением молекул, способствующий выравниванию концентраций по всем участкам раствора. В результате этих двух противоположно направленных процессов и достигается равновесие. При равновесии различие между составом поверхностного слоя и составом раствора в целом тем больше, чем больше различаются компоненты по своему влиянию на поверхностное натяжение. Компонентом, уменьшающим поверхностное натяжение раствора, большей частью является тот, который в чистом состоянии обладает меньшим поверхностным натяжением.

В подавляющем большинстве случаев (по крайней мере в тех системах, в которых не происходит образования соединений между компонентами) кривые, выражающие зависимость поверхностного натяжения на границе раздела раствор – газ от состава имеют вид кривой 1 (рис. 3). Прибавление к данному веществу компонента, обладающего бóльшим поверхностным натяжением, даже при сравнительно высоких концентрациях не вызывает значительного изменения поверхностного натяжения. Но
Рис. 3. Зависимость поверхностного прибавление соединений, обладающих
натяжения двойных систем от состава в чистом состоянии значительно
[1, стр. 362] меньшим поверхностным натяжением, приводит, даже при малых концентрациях их к сильному уменьшению поверхностного натяжения. Это происходит потому, что в поверхностном слое концентрация вещества, уменьшающего поверхностное натяжение, увеличивается по сравнению с концентрацией его в объёме раствора. Изменение содержания данного компонента в поверхностном слое по сравнению с содержанием его во внутренних слоях называется адсорбцией.

Различают положительную адсорбцию, когда содержание растворённого вещества в поверхностном слое становится выше, чем во внутренних слоях раствора, и отрицательную – в обратных случаях. Вещества, сильно уменьшающие поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными веществами. Мерой поверхностной активности обычно принимают . При повышении температуры усиливается тепловое движение молекул и, следовательно, уменьшается адсорбция.

Наряду с рассмотренным типичным случаем зависимости поверхностного натяжения от состава известны сравнительно нередкие случаи, когда те или иные осложнения в структуре раствора (образование соединений между компонентами и др.) приводят к различным отклонениям, которые иллюстрируются кривыми 2, 3 и 4 на рис. 3.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Киреев В.А.; Краткий курс физической химии; изд. 4-е, доп. и перераб.;
Химия, М., 1969; 640 стр.

2. Рабухин А.И., Савельев В.Г.; Физическая химия тугоплавких
неметаллических и силикатных соединений; М., Инфра-М, 2004; 304.стр.

 

 

[1] Адиабатными называют процессы, при которых система не принимает и не отдаёт теплоты, хотя может быть связана с окружающей средой работой, получаемой от неё и совершаемой над ней [1, стр. 180].

[2] Лебедев Александр Алексеевич (26.XI.1893–15.III.1969). Советский физик.

[3] Френкель Яков Ильич (10.II.1894–23.I.1952). Советский физик-теоретик.

[4] Ньютон Исаак (4.I.1643–31.III.1727). Выдающийся английский учёный.

[5] Поверхностное натяжение можно иначе определить как величину работы, необходимой для увеличения поверхности, отнесенную к 1 см² поверхности. Вне системы СИ величину поверхностного натяжения выражают в дин/см или в эрг/см². 1 дин/см = 1 эрг/см² = 1·10^–3 Н/м. [1, стр. 355].