главная > справочник > химическая энциклопедия:

Смачивание

Смачивание, поверхностное явление, наблюдаемое при контакте жидкости с твердым телом в присутствии третьей фазы-газа (пара) или другой жидкости, которая не смешивается с первой (так называемое избирательное смачивание). Характерная особенность смачивание-наличие линий контакта трех фаз (линии смачивание).

Основные термодинамические характеристики смачивания - равновесный краевой угол смачивания q₀, работа адгезии W_a, теплота смачивания q_W. Равновесный краевой угол смачивание определяется наклоном поверхности жидкости (например, капли) к смоченной ею поверхности твердого тела; вершина угла находится на линии смачивание Равновесный краевой угол определяется уравнением Юнга:

cosq₀ = (s_s-s_sl)/s_sl,

где s_s и s_sl-соответствующе удельные свободные поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и в контакте со смачивающей жидкостью, s_l-поверхностное натяжение жидкости. При наличии на поверхности твердого тела тонких смачивающих пленок толщиной h краевой угол смачивание определяется, согласно теории Фрумкина-Дерягина, уравнением:

где П -расклинивающее давление.

Работа адгезии W_a = s_s + s_l - s_ls (уравнение Дюпре). Она характеризует работу, необходимую для изотермического отделения слоя смачивающей жидкости с единицы поверхности твердого тела (см. Адгезия). Теплота смачивание q_W = H_sl — H_s, где H_sl и Н_s-энтальпии, отнесенные к единице поверхностей раздела твердое тело-жидкость и твердое тело-газ. Она наз. также теплотой иммерсии (погружения).

Различают три случая контактного взаимодействия жидкостей с поверхностью твердых тел: 1) несмачивание, когда 180° > q₀ > 90° (напр., ртуть на стекле, вода на парафине): 2) ограниченное смачивание, когда 90° > q₀ > 0° (напр., вода на оксидах металлов); 3) полное смачивание, когда капля растекается в тонкую пленку (ртуть на свинце). Измеряемые на практике краевые углы q часто отличаются от термодинамических равновесных значений q₀. Эти расхождения обусловлены главным образом дефектами поверхности твердого тела: шероховатостями (микрорельеф), хим. неоднородностью (гетерогенность), наличием пор, локальными деформациями вблизи линий смачивание (они достаточно заметны при смачивании тел с малыми модулями упругости). Шероховатость и др. дефекты твердой поверхности приводят к тому, что краевой угол смачивание зависит от условии формирования, например при натекании жидкости на "сухую" подложку и при оттекании жидкости с предварительно смоченной поверхности; это-гистерезис смачивание Краевые углы смачивание изменяются также со скоростью натекания жидкости.

смачивание оказывает значительное влияние на многие технологические и природные процессы. Смачивающие жидкости образуют в капиллярах вогнутые мениски, благодаря чему жидкость поднимается на высоту L = 2s_l cos q/rgr (r - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, r-радиус капиллярной трубки). При несмачивании образуется выпуклый мениск и имеет место капиллярная депрессия (опускание жидкости). Т. обр., от степени смачивание зависит пропитка и сушка пористых материалов.

смачивание влияет также на степень перегрева и переохлаждения при фазовых переходах (кипении, конденсации, плавлении, кристаллизации). Это связано с тем, что работа гетерогенного образования критического зародыша новой фазы максимальна при полном несмачивании, а при полном смачивании она минимальна. В частности, для предотвращения образования тромбов в кровеносных сосудах материалы для протезирования сосудов не должны смачиваться кровью. Важную роль играет смачивание при флотационном обогащении и разделении горных пород, вытекании нефти из пластов, отмывании загрязнений, нанесении пленок и покрытий, шайке металлов и других материалов, спекании порошков, течении жидкости в условиях невесомости и др.

Методы регулирования смачивание основаны главным образом на изменении удельных поверхностных энергий s_s и s_sl, а также поверхностного натяжения жидкости s_l. Физический метод основан на электрической поляризации, связанной с зависимостью поверхностного натяжения электрода от его электрического потенциала (электрокапиллярность), воздействии электрических и магнитных полей, изменении температуры, обработки поверхности твердых тел ионизирующими излучениями. Наиболее универсальный метод регулирования смачивание состоит в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ). Растворение ПАВ в жидкости уменьшает ее поверхностное натяжение; вместе с тем возможна адсорбция ПАВ на границе твердое тело-жидкость с соответствующим изменением поверхностной энергии s_sl. Предварительная выдержка образцов данного твердого материала в растворе ПАВ приводит к образованию на его поверхности адсорбционных слоев, которые могут частично или полностью "экранировать" ее. Такое модифицирующее действие позволяет качественно менять характер контактного взаимодействия жидкости с твердым телом. Можно, например, гидрофобизировать гидрофильные материалы или, напротив, гидрофилизировать гидрофобные подложки. Основные закономерности изменения смачивание с помощью ПАВ и использования этих эффектов в различных технологическх процессах (флотации, полиграфии, моющем действии и др.) обоснованы в трудах П. А. Ребиндера.

Лит.: Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В., Физико-химические основы смачивания и растекания, М., 1976; Ребиндер П. А., Избр. труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, М., 1978; Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Смачивающие пленки, М., 1984; Де Жен П., "Успехи физ. наук", 1987, т. 151, в. 4, смачивание 619-81. Б. Д. Сумм.