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 s_тр, s_гр і s_тг, 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 s_н>s_тр; не-змочуванню - s_н>s_гр; а розтіканню - s_н>s_гр+s_рр. Величина W _p=s_тг-s_тр-s_рр 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.