Адгезия, смачивание и растекание жидкостей

Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсированными фазами.

Адгезия. Межфазное взаимодействие, или взаимодействие между приведёнными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы, называют адгезией (прилипанием). Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определённой прочности, обусловленное межмолекулярными силами.

Различают адгезию между ж - ж; ж - тв; тв. – тв.

Смачивание и растекание предполагают наличие одной из фаз в жидком состоянии и обусловлены адгезией. Адгезия и смачивание сопровождают друг друга и характеризуют межфазное взаимодействие (склеивание материалов; нанесение ЛКМ и неорганических материалов; получение материалов на основе связующих и наполнителей: бетона, стеклопластика, резины; сварка и паяние металлов).

Адгезия – результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии (самопроизвольный процесс). Полная работа адгезии на всю площадь поверхности контакта тел S, равна и измеряется в Дж/м²:

W_s = W_a∙S

Определим работу адгезии через поверхностное натяжение. Имеем систему из двух конденсированных фаз (2 - вода, 3 - масло), которые имеют поверхности на границе с воздухом 1, равные единице площади. Две жидкости взаимо нерастворимы.

Рис. 3. Система из двух конденсированных фаз: 2 - вода, 3 – масло, имеющих поверхности на границе с воздухом 1.

При совмещении этих поверхностей, т.е. при нанесении одного вещества на другое, происходит адгезия, возникает межфазное натяжение, равное σ_2,3. В результате первоначальная энергия Гиббса уменьшается на величину, равную работе адгезии, т.е.

ΔG + W_a = 0 или W_a = - ΔG

Для начального и конечного состояния cистемы: G_нач = σ_2,1 + σ_3,1 и G_кон = σ_2,3. Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии равно:

ΔG = G_кон - G_нач = σ_2,3.- σ_2,1 - σ_3,1

W_a = -ΔG = σ_2,1 + σ_3,1 - σ_2,3. – уравнение Дюпре -

закон сохранения энергии при адгезии

Отсюда следует, чем больше работа адгезии, т.е. межфазное взаимодействие, тем меньше межфазное натяжение.

Межфазное натяжение становится равным 0, когда исчезает межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз.

W_a ≥ σ_2,1 + σ_3,1 – условие растворения

Смачивание, краевой угол.Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее чем между собой, то жидкость будет растекаться по поверхности или смачивать ее. Растекание будет происходить до тех пор, пока жидкость не покроет всю поверхность твердого тела или пока слой жидкости не станет мономолекулярным, что называется полным смачиванием (например, нанесение капли на стекло).

Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым телом или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом.

Степень смачиваемости количественно характеризуется косинусом краевого угла - угол смачивания или краевой угол.

Краевой угол – угол между твердым телом и касательной к поверхности жидкости, отмеряемый со стороны твердого тела.

Полное несмачивание – краевой угол равен 180⁰ (θ = 180⁰), такой случай практически не наблюдается, т.к. меджду жидкостью и твёрдым телом всегда действуют силы притяжения.

Между крайними случаями полного и неполного смачивания, в зависимости от соотношения сил между молекулами жидкости с твердым телом, наблюдается переходные случаи неполного смачивания,т.е. капля образует с поверхностью тела определенный равновесный угол смачивания.

θ < 90˚ θ = 90˚ θ > 90˚

Рис. 4. Различные случаи неполного смачивания.

Значение краевого угла, образуемого водой на поверхности:

Смачивание – это результат сил поверхностного натяжения.

Рассмотрим пример неполного смачивания.

Рис. 5. Зависимость между краевым углом и поверхностным натяжением.

При образовании краевого угла все три силы должны быть уравновешены друг другом: