Уравнение Дюпре-Юнга

Итак, можно определить три случая смачивания в зависимости от значения краевого угла:

а) несмачивание: => , работа адгезии меньше, чем поверхностное натяжение жидкости , ≤ . Если краевой угол тупой, то по отношению к данной жидкости поверхность смачивается плохо;

б) смачивание: => , , поверхность хорошо смачивается жидкостью.

в) растекание: . Если θ = 0, смачивание полное, капля полностью растекается по поверхности.

Различные жидкости неодинаково смачивают одну и туже поверхность. Лучше смачивает поверхность та жидкость, которая по полярности ближе к смачиваемому веществу: она сильнее с ним взаимодействует и имеет меньшее поверхностное натяжение, что следует из уравнения Юнга.

При нанесении на поверхность твёрдого тела двух жидкостей, нерастворимых друг в друге, между ними образуется краевой угол, который характеризует относительную способность этих жидкостей смачивать данное тело. О жидкости, лучше смачивающей поверхность говорят, что она обладает большим избирательным смачиванием по отношению к данной поверхности. Избирательное смачивание было подробно исследовано П.А. Ребиндером.

– критерий смачиваемости

Рассмотрим явление избирательного смачивания на системе: полярная вода, неполярный углеводород и твердое тело.

1. Если для воды θ < 90⁰, В = cosθ > 0, то поверхность избирательно смачивается водой, поверхность называют гидрофильной (олеофобная). Этот случай наблюдается при условии, когда σ_2,3 > σ_1,3, или когда σ_2,3 - σ_1,3 > 0. Разность полярностей между водой и твердым телом меньше, чем между углеводородом и твердым веществом. К веществам с гидрофильной поверхностью относят все вещества с ярко выраженным межмолекулярным взаимодействием: кварц, стекло, сульфаты, силикаты, карбонаты, окиси и гидроокиси металлов, целлюлоза.

2. Если твердое тело лучше смачивается неполярным углеводородом, то для воды θ > 90⁰ и cosθ < 0, то поверхность гидрофобная (олеофильная). Этот случай наблюдается при условии, когда σ_2,3 < σ_1,3, или когда σ_2,3 - σ_1,3 < 0. Это все углеводороды и органические соединения с большими углеводородными радикалами, сульфиды металлов.

3.Если θ = 90⁰, избирательное смачивание отсутствует.

Лучше смачивается та жидкость, которая имеет меньшее поверхностное натяжение или работу когезии. Органические жидкости характеризуются низким поверхностным натяжением, и поэтому смачивают большинство поверхностей различной природы.

Т.е. для увеличения смачивания, нужно увеличить работу адгезии W_a или уменьшить работу когезии W_k (поверхностное натяжение) жидкости, чего можно достичь, например, увеличением температуры или введением ПАВ.

Помимо краевого угла смачивания мерой гидрофильности является теплота смачивания. Т.к. смачивание и адгезия - самопроизвольные процессы, они идут с уменьшением энергии Гиббса (межфазное натяжение) и с уменьшением внутренней энергии поверхностного слоя.

Различают дифференциальную теплоту смачивания – рассчитывается на единицу количества жидкости, и интегральную теплоту смачивания – рассчитывается на единицу площади поверхности смачиваемого тела.

Согласно П.А. Ребиндеру гидрофильность поверхности следует характеризовать по отношению теплот её смачивания водой и теплоты смачивания бензолом ( ). Если >1 - поверхность гидрофильная (для агара 35), если <1 – гидрофобная (для угля 0,34).

Для измерения краевого угла, образуемого жидкостью на твёрдом теле, на поверхность твёрдого тела наносят каплю жидкости и с помощью пучка света, направленного параллельно поверхности, проектируют боковое изображение капли на экран, очерчивают контур капли и по касательной определяют угол. Или используют прибор катетометр – прибор для измерения точного интервала между двумя точками на расстоянии. По основным размерам капли (высота, радиус, периметр контакта) рассчитывают краевой угол.