Смачивание и адгезия

Смачивание − поверхностное явление, наблюдаемое при контакте жидкости с твердым телом в присутствии третьей фазы − газа или другой жидкости, которая не смешивается с первой. Характерной особенностью смачивания является наличие линии контакта трех фаз (линия смачивания). Смачивание определяет форму капли на твёрдой поверхности или форму газового пузырька, прилипшего к поверхности погруженного в жидкость тела, а также вызывает образование сферического мениска в капиллярной
трубке.

Мерой смачивания обычно служит величина краевого угла q между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости (вершина угла находится на линии смачивания). Величиной q
оценивают лиофильность и лиофобность поверхностей по отношению к различным жидкостям. На лиофильной поверхности жидкость растекается частично – ограниченное смачивание
(0° < q < 90°) или полностью − жидкость образует пленку (q → 0°); на лиофобной растекания не происходит (q > 90°) (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Растекание капли жидкости на поверхности твердого тела (а) и газовый пузырек в жидкости на поверхности твердого тела (б)

Смачивание определяется соотношением энергии связи частиц между собой внутри жидкой фазы − когезией и энергии связи частиц жидкой и твердой фаза − адгезией. Когезия (от лат. cohaesus − связанный, сцепленный) − сцепление частиц физического тела за счет образования между ними химических связей (ковалентной, ионной, межмолекулярного взаимодействия). Адгезия (от лат. adhaesio − прилипание) − сцепление поверхностей двух разнородных тел (твёрдых или жидких) при их контакте, главным образом за счет межмолекулярного взаимодействия поверхностных частиц фаз.

В случае лиофильной поверхности силы адгезии больше, чем силы когезии. Поверхностная энергия уменьшается с увеличением площади контакта жидкой и твердой фаз – жидкость растекается по поверхности. В случае лиофобной поверхности силы адгезии невелики. Поверхностная энергия уменьшается с сокращением площади контакта жидкой и твердой фазы – жидкость сохраняет сферическую форму (капля жидкости на поверхности твердого тела).

Краевой угол смачивания (q) определяется величинами поверхностного натяжения на границах соприкасающихся фаз «твердое тело–газ (σ_тг)», «твердое тело–жидкость (σ_тж)», «жидкость–газ (σ_жг)»: (уравнение Юнга).

Хорошая адгезия материалов играет важную роль при склеивании, паянии, сварке, лужении, при нанесении лакокрасочных полимерных покрытий и др. С другой стороны, адгезия вызывает повышенный износ трущихся деталей. Для ее устранения вводят слой смазки, препятствующий контакту поверхностей.

Капиллярные явления. Смачивание приводит к искривлению свободной поверхности жидкости в тонких трубках (капиллярах), форма поверхности которой близка к сферической (образуется мениск). В случае лиофильной поверхности капилляра происходит подъем жидкости, а в случае лиофобной поверхности − опускание. Высота подъёма (опускания) уровня жидкости в капилляре прямо пропорциональна поверхностному натяжению (σ) и обратно
пропорциональна радиусу мениска (r) и плотности жидкости (ρ) (рис. 2.8).

Капиллярные явления играют существенную роль в биологии, в частности в водоснабжении растений, передвижении влаги в почвах и других пористых телах.

Рис. 2.8. Поднятие жидкости смачивающей стенки капилляра (а)
и опускание жидкости, не смачивающей стенки капилляра (б)

Контрольные вопросы

1. Адсорбция поверхностью раствора − поверхностно активные вещества.

2. Адсорбция твердым веществом. Изотерма адсорбции Ленгмюра.

3. Специфическая и обменная адсорбция ионов.

4. Смачивание. Краевой угол смачивания.

5. Капиллярные явления.