2.2. Смачивание

Смачивание есть взаимодействие жидкости с твердым телом в присутствии газа или другой жидкости, которая не смешивается с первой. На границе раздела фаз молекулы, расположенные на соприкасающихся поверхностях, притягиваются за счет сил Ван-дер-Ваальса (ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействие) или посредством водородных связей.

Мерой смачивания является угол смачивания или краевой угол. Краевой угол  определяется наклоном поверхности капли жидкости к смоченной ею поверхности твердого тела в точке соприкосновения фаз со стороны жидкости (рис. 5).

Изменение краевого угла в пределах 0 <  < 180⁰, охватывает все случаи смачивания. Значение  = 0⁰ соответствует полному смачиванию. Например, капля воды на обезжиренной стеклянной поверхности растекается и покроет поверхность стекла тонкой пленкой ( = 0). Растекание жидкости происходит потому, что молекулы воды (диполи) притягиваются поверхностью, молекулярная структура которой обеспечивает ориентационное, индукционное или дисперсионное взаимодействие с аморфной поверхностью стекла. Изменение угла  в пределах 0⁰ <  < 90⁰ указывает на ограниченное смачивание. Несмачиванию соответствует угол 90⁰ <  < 180⁰. Различное смачивание водой поверхности стекла, графита и парафина представлено на рис. 5.

Рис. 5. Положение капли воды на твердых поверхностях при различных условиях смачивания: а) гидрофильное обезжиренное стекло; б) графит; в) парафин, проявляет гидрофобные свойства

Поверхность проявляет гидрофильные (др.-греч.  влажный;  люблю) свойства, если она хорошо смачивается водой (обезжиренное стекло). Гидрофобные (др.-греч.  влажный;  страх, ужас) свойства, т.е. плохое смачивание водой, наблюдается у парафина. Когда речь идет о жидкостях, отличающихся от воды, то поверхности по условиям смачивания подразделяются соответственно на лиофильные и лиофобные.

Уменьшение функции Гиббса (приходящееся на единицу поверхности) < 0 соответствует протеканию самопроизвольного процесса, сопровождающегося уменьшением поверхностного натяжения. В самопроизвольном процессе капля жидкости будет растекаться и покрывать поверхность твердого тела с уменьшением краевого угла до минимального значения. Это соответствует уменьшению поверхностного натяжения (_т-ж ) на границе твердое тело – жидкость по сравнению с поверхностным натяжением (_т-г ) твердое тело – газ:

_т-г  _т-ж> 0.

Равновесное (устойчивое) состояние (рис. 6) будет достигнуто, когда равнодействующая поверхностного натяжения трех фаз равна нулю (уравнение Юнга):

_т-г  _т-ж  _ж-г cos  = 0 или

cos  = (_т-г  _т-ж)/_ж-г.

Рис. 6. Распределение энергии поверхностного натяжения: а) на гидрофильной поверхности ( < 90⁰); б) на гидрофобной поверхности ( > 90⁰)

Из уравнения Юнга следует, что при _т-г  _т-ж> 0 значение cos  > 0, и тогда  изменяется в пределах от 0⁰ до 90⁰. Величина краевого угла свидетельствует об эффективности смачивания, эффективности контактного взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела.

Если _т-г  _т-ж < 0, то значение cos  < 0, и  изменяется в пределах от 90⁰ до 180⁰, что означает плохое смачивание или отсутствие смачивания поверхности жидкостью. В последнем случае ярко выражено более сильное взаимодействие между молекулами внутри жидкости по сравнению с взаимодействием молекул на границе двух фаз.

Изменение степени смачивания происходит при использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ) и означает изменение поверхностной энергии на границе раздела фаз.