Смачивание и растекание на границе двух жидкостей с газом

Капля жидкости (например масла), нанесенная на поверхность другой жидкости (например воды), в которой она не растворяется, при равновесии принимает форму линзы, схематично представленную на рисунке. Геометрические соотношения между межфазовыми натяжениями соответствуют показанным на этом рисунке. При равновесии после выделения горизонтальных составляющих межфазовых натяжений можем записать

σ₁cosθ₁ + σ₁₂cosθ₃ = σ₂cosθ₂,

где σ ₁, σ ₂, σ ₁₂- поверхностное натяжение масла, воды и межфазовое натяжение на поверхности масло-вода; углы θ₁, θ₂, θ₃ – соответствующие углы для выделения горизонтальной составляющей поверхностного (межфазового) натяжения.

Жидкость будет растекаться по поверхности другой жидкости, если углы θ_i будут стремиться к нулю. Гаркинс использовал уравнение при θ стремящимся к 0 для определения начальной величины коэффициента растекания, в настоящее время называемого напряжением растекания

f₁₂ = σ₂ - σ₁₂ – σ₁.

Коэффициент f₁₂ имеет положительный знак, если растекание сопровождается уменьшением свободной энергии, т.е. является самопроизвольным.

Из уравнения следует, что растекание будет происходить, если капля жидкости имеет поверхностное натяжение меньшее, чем жидкость, на поверхность которой она помещена, и чем выше разность поверхностных натяжений, тем легче идет растекание.

После растекания капли бензола по поверхности воды в результате насыщения жидкостей друг другом процесс растекания прекращается и вновь бензол собирается в линзу. Такая ситуация характерна для систем, содержащих воду. Коэффициент растекания многих жидкостей по воде в начальный момент положительный, а с течением времени становится нулевым или даже отрицательным. Это связано с тем, что после растворения жидкости в воде на поверхности воды образуется гиббсовский монослой, оказывающий поверхностное давление, достаточно большое, чтобы уменьшить поверхностное натяжение воды до значения, меньшего суммы двух других величин, входящих в уравнение.