Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления

М олекулярные силы притяжения действуют не только между молекулами жидкости, но и между молекулами жидкости и соприкасающегося с ней твердого тела. Если силы притяжения молекул жидкости к молекулам твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, то молекулы жидкости «прилипают» к поверхности твердого тела. В этом случае говорят о смачивании — явлении межмолекулярного взаимодействия частиц твердого тела и жидкости на их границе, а жидкость называют смачивающей.

Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами самой жидкости, то прилегающие слои жидкости «отталкиваются» от его поверхности. Это явление называется несмачиванием, а жидкость — несмачивающей.

Небольшая капля смачивающей жидкости на горизонтальной поверхности растекается по ней (рис. 78, а), а небольшая капля несмачивающей жидкости на горизонтальной поверхности принимает форму приплюснутой сферы (рис. 78,6).

Явления смачивания и несмачивания приводят к искривлению поверхности жидкости у стенок сосуда, так называемым краевым эффектам. При смачивании жидкость приподнимается у вертикальной стенки сосуда (рис. 79, a), a при несмачивании—опускается (рис. 79, б).

К оличественной характеристикой краевых эффектов служит краевой угол θ между плоскостью касательной к поверхности жидкости и поверхностью твердого тела. При смачивании (рис. 80, а) он будет острым, а при несмачивании (рис. 80, 6) — тупым. При полном смачивании краевой угол θ = 0°, а при полном несмачивании — θ = 180°.

О дна и та же жидкость по отношению к разным твердым телам может быть как смачивающей, так и несмачивающей. Так, вода смачивает поверхность чистой руки и не смачивает кожу, покрытую питательным кремом. Аналогично одно и то же тело может смачиваться одной жидкостью и не смачиваться другой. Например, стекло смачивается водой и не смачивается ртутью.

Краевые эффекты наиболее заметны в узких длинных трубках — капиллярах (от латинского capillaris — «волосной», «тонкий»), в которых поверхность жидкости изогнута в виде мениска (от греческого meniskos — «лунный серп») (рис. 81). Опыт показывает, что в случае смачивания уровень жидкости в капилляре находится выше, чем в основном сосуде, а в случае несмачивания — ниже. Подъем (рис. 81, а) и опускание (рис. 81, б) жидкости в капиллярах под действием сил поверхностного натяжения называются капиллярными явлениями.

Пусть полностью смачивающая жидкость плотностью ρ поднялась на высоту h в капилляре радиусом r. При равновесии столбика жидкости результирующая сила поверхностного натяжения F_пов уравновешивает силу тяжести mg (рис. 82):

F_пов = mg.

Стенки капилляра действуют на поверхностную пленку жидкости с силой

F_пов = σ2·r.

Сила тяжести жидкости в капилляре определяется соотношением

mg = Vg = ·r²hg.

Из этих равенств получаем

.

ТВЕРДЫЕ ТЕЛА И ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

Как известно, твердые тела образуют границу раздела, сохраняют объем и форму, практически несжимаемы и обладают прочностью «на разрыв». По своему внутреннему строению твердые тела разделяются на кристаллические и аморфные.

Кристаллические твердые тела (кристаллы) обладают пространственной периодической структурой, называемой кристаллической решеткой (рис. 84). Она состоит из упорядоченно расположенных частиц. Места расположения частиц называются узлами решетки. Решетка может состоять из атомов, молекул или ионов. Соответственно этому она называется атомной, молекулярной или ионной.

В се кристаллические тела имеют определенную температуру плавления, при достижении которой кристаллическая решетка разрушается — вещество переходит в жидкую фазу.

Среди кристаллических тел различают моно- и поликристаллы. Монокристаллы или так называемые «одиночные кристаллы» имеют форму правильных симметричных многогранников, поскольку расположение всех частиц в них строго упорядочено и периодически повторяется в пространстве. Монокристаллы обладают анизотропией, т. е. зависимостью механических, электрических, тепловых, оптических и других свойств образца от направления внутри кристалла. Примерами монокристаллов могут служить драгоценные камни (алмаз, изумруд, рубин, сапфир), используемые в ювелирных украшениях.

М онокристаллы в природе редко достигают размеров в несколько сантиметров. Это связано с тем, что расстояние между атомами в кристаллической решетке имеет размер порядка нескольких десятых нанометра. Соответственно на каждом сантиметре кристалла «укладывается» несколько десятков миллионов узлов решетки. Сколь совершенна не была бы периодичность в кристаллической решетке, всегда будут наблюдаться различного рода дефекты, нарушающие рост монокристалла. И вероятность их появления на расстояниях 1 см очень велика.

Дефекты могут быть точечными: замена одних частиц на другие (замещения) (рис. 86, а), дополнительные размещения атомов между узлами (междоузлия) (рис. 86,6), пропущенные узлы (вакансии) (рис. 86, в) или линейными, когда образуются целые дефектные участки, микротрещины.

В целом дефекты ослабляют прочность решетки и тем самым накладывают естественные ограничения на размеры монокристаллов. Поэтому в природе чаще Встречаются беспорядочно сросшиеся между собой монокристаллы. Такие твердые тела и называются поликристаллами. Примерами поликристаллов являются: соль, сахар, лед, кварц, железо, медь, гранит. Поликристаллы не имеют правильной геометрической формы, кроме того, их свойства одинаковы по всем направлениям в пространстве, т. е. они изотропны.

Твердые тела, у которых отсутствует строгая периодичность расположения структурных частиц, называются аморфными (рис. 87). Аморфным телам свойствен так называемый ближний порядок, т. е. некоторая упорядоченность в расположении частиц в ближайшем окружении, в отличие от дальнего порядка кристаллической решетки. Аморфные тела можно считать «охлажденными» жидкостями с очень большой вязкостью. Отметим основные свойства аморфных тел:

1 ) изотропия — независимость физических свойств от направления в пространстве (равноправность всех направлений внутри вещества по физическим свойствам);

2) твердость (как у твердых тел) при низких температурах и текучесть (как у жидкостей) при более высоких температурах;

3) отсутствие определенной температуры плавления: при повышении температуры вещество постепенно размягчается и становится жидким.

Примерами аморфных тел являются стекло, янтарь, битум.

Большинство веществ при определенной температуре может находиться только в одном из агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном или плазменном. Однако некоторые органические вещества при повышении температуры могут переходить в жидкокристаллическое состояние. Эти вещества называют жидкими кристаллами. В таком состоянии вещество одновременно обладает физическими свойствами как твердого тела — анизотропией, так и жидкости — текучестью. Поэтому для жидкокристаллического состояния употребляется также и другое название — мезофаза, что буквально означает «промежуточная фаза». Именно эти уникальные гибридные свойства вызывают особый интерес.

О собенности жидкокристаллического состояния связаны с удлиненной осесимметричной формой сложных молекул жидких кристаллов (рис. 88). Вследствие вытянутости. молекулам энергетически выгодно располагаться параллельно друг другу — это приводит к определенному порядку в расположении молекул и, как следствие, к анизотропии. Однако молекулы сохраняют свою подвижность в направлениях, параллельных своей оси, что и определяет способность жидкого кристалла к текучести.

В настоящее время жидкокристаллические вещества широко применяются для создания устройств отображения и хранения информации — дисплеев компьютеров, мобильных телефонов, калькуляторов. Основным преимуществом жидкокристаллических дисплеев является малое управляющее электрическое напряжение — 0,5—2 В, тогда как в электронно-лучевых трубках используются напряжения в десятки киловольт. Малые рабочие напряжения позволяют без преобразователей соединять жидкокристаллические дисплеи с интегральными схемами приема, управления и формирования изображения. Кроме того, малые потребляемые токи обуславливают экономичность, долгий срок службы и компактность жидкокристаллических приборов.

По своим необычным свойствам из всей группы твердых тел выделяются полимеры — вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся групп атомов (мономерных единиц), соединенных между собой химическими связями. [Например, молекула одного из простейших по структуре полимеров — полиэтилена — образуется повторением группы СН₂:

— CH₂ — CH₂ — CH₂ — CH₂ —

или

(— CH₂ — CH₂ —)_n.

Ч исло n мономерных единиц в молекуле (степень полимеризации) определяет относительную молекулярную массу полимера, которая, как правило, очень велика — десятки и сотни тысяч атомных единиц массы. Так, например, полиэтилен имеет молекулярную массу до 35 000 а.е.м., каучук — до 400 000 а.е.м. Для сравнения вспомним, что масса молекулы водорода — 2 а.е.м., а атома свинца, который считается «тяжелым»,— 208 а.е.м. К полимерам природного происхождения относятся натуральный каучук, белок, клетчатка, крахмал. В настоящее время многие полимеры (пластмассы, синтетические волокна, каучук) синтезированы искусственно для практических нужд человека. Широкое применение полимерных материалов обусловлено их своеобразными свойствами: способностью выдерживать большие механические нагрузки и деформации, чувствительностью к изменению температуры и частоты внешнего воздействия.