3. Змочування. Флотація

При нанесенні краплі рідини на тверду поверхню можливі три випадки:

1) крапля необмежено розтікається по поверхні. Це є випадком ідеального змочування, для якого характерна плоска форма краплі;

2) крапля частково розтікається по поверхні, утворюючи з нею деякий кут. При цьому крапля має опуклу форму;

3) у випадку ідеального незмочування крапля на поверхні зберігає сферичну форму (або близьку до сферичної).

Кількісною характеристикою процесу змочування є крайовий кут змочування (), утворений краплею і твердою поверхнею.  змінюється в межах від 0° до 180°. Величину  визначають між твердою поверхнею і дотичною, проведеною до поверхні краплі в точці дотику твердої, рідкої і газової фаз. Вимір кута роблять з боку рідини. Лінію, по якій поверхня розділу рідина – газ стикається з поверхнею твердого тіла, називають периметром змочування.

Кут змочування , що встановлюється при рівновазі трифазної системи (тверде тіло–рідина– газ), залежить тільки від поверхневого натягу на міжфазих границях.

Рис. 1. Крайові кути змочування:

а – змочувальна рідина;

б – незмочувальна рідина

Поверхневий натяг − сила, що діє тангенціально до поверхні розділу фаз, тому , де _тг, _тр і _рг – сили, що діють на одиницю довжини периметра змочування (рівняння Юнга). Очевидно, що повне змочування повинно відповідати умові  = 0°, соs = +1; повне незмочування –  = 180°; соs = –1. Чим менший кут , тим краще змочування. Тверда фаза тим краще змочується рідиною, чим менші сили зчеплення (когезії) між молекулами самої рідини і більші сили притягання (адгезії) молекул рідини до твердого тіла, тому

соs = (2W_a −W_c)/W_c.

При комбінуванні рівнянь Юнга та Допре можна визначити роботу адгезії при невідомих значеннях поверхневих натягів за формулою:

W_a = _рг·(1+соsq).

Приклад 1.Розрахувати роботу адгезії в системі ртуть − скло, якщо крайовий кут дорівнює 130 , а s_Нg = 475 Дм/м². Визначити коефіцієнт розтікання ртуті на склі.

Розв’язання:

1. W_a − ?

W_a = _рг·(1+ соsq) = 475(1− 0,64) = 171 Дм/м².

2. W_с =?

W_с = 2s_Нg = 475·2 = 950 Дм/м².

3. f − ?

f = W_а. − W_с = 171 − 950 = −779 Дм/м².

Відповідь: f = −779 Дм/м².

З рівняння Юнга випливає, що змочування залежіть від поверхневих натягів складових системи. Добре змочують тверді поверхні рідини з малим по­верхневим натягом. Наприклад, вуглеводні, поверхневий натяг яких неве­ликий і складає 20-30 мДж/м² змочують практично будь-яку поверхню.

Вода, поверхневий натяг якої при 20°С складає 72 мДж/м², змочує лише ге­терополярні речовини (скло, алюмосилікати, деякі мінерали, іонні криста­ли). Ртуть (поверхневий натяг 472 мДж/м²) практично не змочує твердих тіл. Поверхні, що добре змочуються називають ліофільними (гідрофільни­ми, якщо добре змочуються водою) і ліофобними (гідрофобними), якщо по­верхні не змочуються. Гідрофобними э поверхні графіту, вугілля, тальку, сірки, парафіну, сульфідів важких металів, гідрофільними − поверхні кварцу, целюлози, силікатів, гіпсу, скла та ін. Повного незмочування ніколи не спостерігається, тому що завжди є сили взаємодії, хоча б й дуже малі, між рідиною та твердою поверхнею. Звичайно вважають, що при  < 90° відбувається змочування, при  > 90° – незмочування.

Найбільш ефективним методом збільшення змочування є введення ПАВ у рідку фазу або попередня обробка твердої поверхні розчинами ПАР. Таким шляхом можна не тільки впливати на величину змочування, але і викликати його інверсію, тобто якісно змінити характер змочування. Крайові кути змочування виміряються експериментально. Для цього застосовують метод проектування краплі на екран за допомогою спеціального приладу.

Загальним правилом є положення, що з двох рідин краще змочує тверду поверхню та, у якої різниця полярностей із твердим тілом найменша, а енергія взаємодії найбільша.

Поверхневий натяг  на границі тверда поверхня – повітря завжди більше, ніж на границі тверда поверхня – рідина, тому змочування супроводжується зменшенням енергії поверхні, є самовільним процесом. При змочуванні виділяється енергія у формі тепла. Ця енергія носить назву теплоти змочування і є зменшенням повної енергії при утворенні міжфазної поверхні рідина-тверде тіло.

Теплота змочування є чутливою мірою гідрофобності чи гідрофільності поверхні. В тих випадках, коли виз­начити краєвий кут дуже складно (наприклад, при змочуванні порошків), вона є єдиною характеристикою змочування.

В таблиці 1 наведені відповідні приклади.

Таблиця 1. Теплоти змочування та коефіцієнти гідрофільності порошкових речовин

Речовина	Теплота змочування, дж/кг			 = q1: q2.
	вода	гексан	бензен
Вугілля активоване	31,8	93		0,34
Графіт	6,3	6.7		0,94
Сілікагель	38,1	18.4		2,10
Крохмаль	96		5,4	17,8
Агар-агар	146		4,2	34,7

Для оцінки гідрофільності поверхонь порошкових матеріалів Ребіндер запропонував використовувати коєфіцієнт  − відношення теплоти змочування її водою q₁ до теплоти змочування бензеном або гексаном q₂:

 = q₁: q₂.

Для гідрофільної поверхні  > 1, для гідрофобної  < 1.

Приклад 2. Визначити коефіцієнт гідрофільності поверхні вугілля, якщо теплоти змочування його водою та бензеном дорівнюють 25000 та 65000 Дж/кг відповідно.

Розв’язання:

1.  − ?

 = q₁: q₂ = 25000:65000 = 0,384.

Відповідь:  = 0,384, отже, поверхня вугілля гідрофобна.

Змочування відіграє велику роль в різних важливих процесах. Відмивання, прання, фарбування, відбілювання текс­тильних волокон і тканин вимагають доброго змочування. При розпилю­ванні інсектицидів вимагається, щоб рідина, що розпилюється, добре змо­чувала поверхню листків і хітинове покриття комах.

У ряді випадків вимагається, щоб змочуваність поверхні була малою (тканини зонтів, плащів, будівельні матеріали тощо). Для захисту різноманітних матеріалів від дії води широко застосовується гідрофобізація поверхні.

Явище змочування впливає на хід багатьох процесів у природі і техніці, тому що є першою стадією взаємодії рідин із твердими тілами.