Смачивание и краевой угол

Смачиванием называется совокупность явлений на границе сопри­косновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие – несмешиваемые жидкости или жидкость и газ.

Капля жидкости может растекаться по поверхности, если поверх­ность хорошо смачивается, а если поверхность плохо смачивается, то капля растекаться не будет (рис. 6.5).

а б в

Рис. 6.5. Различные случаи смачивания

Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания Q, образованного поверхностью твёрдого тела с каса­тельной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосно­вения с поверхностью (рис. 6.5, 6.6). Краевой угол (Q) измеряется в сторону более полярной фазы, в сторону воды. Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 – углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 – твёрдое тело.

Рис. 6.6. Форма капли, обусловленная поверхностными натяжениями на раз­личных границах соприкасающихся фаз

Предполагая, что краевой угол (Q) отвечает термодинамическому равновесию, получаем уравнение, впервые выведенное Юнгом:

σ_2,3 = σ_1,3 + σ_1,2×cosQ, (6.4)

откуда получается выражение для краевого угла (Q):

cos Q = (σ_2,3 – σ_1,3)/ σ_1,2. (6.5)

В этих уравнениях (6.4, 6.5) величины σ_2,3 и σ_1,3 практически не­известны. Поэтому мерой смачивания жидкостями поверхности твёрдого тела служит величина краевого угла (Q). Значение Q не зависит от размеров капли и определяется лишь молекулярными свойствами поверхности твёрдого тела и соприкасающихся фаз. Поверхность должна лучше смачиваться той жидкостью на границе, с которой значение поверхностного натяжения меньше, то есть разность полярностей между твёрдым телом и жидкостью минимальная. Поэтому щелочные воды (разд. 6.2) лучше смачивают поверхность кварца и других минералов, слагающих пласт, чем другие типы вод. Это связано с омылением органических кислот щелочами пластовых вод. Мыла, адсорбируясь на поверхности раздела "нефть–вода" и "порода–нефть–вода", способствуют гидрофилизации ("П —О − В") поверхнос-ти, то есть уменьшению избирательного смачивания.

Если σ_2,3> σ_1,3, то 0 < cos Q < 1 или 0^о < Q < 90^о, из чего следует, что угол Q – ост­рый (0 < cos Q < 1), наступающий, а поверхность – гидрофильная. Если σ_2,3< σ_1,3, то –1 < cos Q < 0, из чего следует, что угол Q – ту­пой (90^о < Q < 180^о), отступающий, а поверхность – гидрофобная.

Существуют и переходные поверхности, амфотерные, которые хорошо смачиваются как полярными, так и неполярными системами.

К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, кварц, слюда, карбонаты, окислы, сульфаты. К гидрофобным поверхностям – парафин, озокерит, графит, жиры, воск, тальк, асбест, сера, сульфиды, чистые металлы.

По величине угла избирательного смачивания судят о качестве пластовых вод и их отмывающей и вымывающей способностях. Лучше отмывают нефть воды, хорошо смачивающие породу.

Большое влияние на значение угла смачивания оказывают про­цессы адсорбции, в связи с изменением полярности поверхности твёрдого тела, за счёт образования поверхностных сольватных полимо-лекулярных слоёв.

Процессы адсорбции полярных молекул нефти на поверхности горных пород имеют большое значение при избирательном смачивании их водой и нефтью. Нефтесодержащие породы по своей природе в значительной степени гидрофильны. Несмотря на это коллектора нефти гидрофобизированы ("П − О—") ей и часто очень плохо смачиваются водой.

На величину краевого угла смачивания влияют: молекулярные свойства поверхности твёрдого тела и соприкасающихся фаз, свойства адсорбированных слоёв (за счёт явлений адсорбции), давление и температура. Зависимости Q = f(P) и Q = f(Т) сложно выявить в чистом виде. Они могут быть возрастающими или убывающими от преоблада­ния того или иного фактора, в частности от адсорбционных процессов.

При стандартных условиях значения угла смачивания пропорцио­нально поверхностной активности нефти. Измерение краевого угла смачивания используют оптические методы