ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Явления смачивания из "Курс коллоидной химии" К явлению адсорбции близки явления смачивания, также определяющиеся интенсивностью взаимодействия между молекулами различных веществ. Рассмотрим явления смачивания на примере капли жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела, хотя, конечно, можно говорить и о смачивании жидкости жидкостью. [c.153] Если молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с молекулами твердого тела, растекания не произойдет. Наоборот, жидкость соберется на поверхности в каплю, которая, если бы не действовала сила тяжести, имела бы почти сферическую форму. Случай, близкий к этому, наблюдается при нанесении капли ртути на любую неметаллическую поверхность. [c.154] На рис. 1,7 изображены капли, образующие на твердой поверхности острый краевой угол (0 9О°), краевой угол, равный 90°, и тупой краевой угол (0 9О°). Следует иметь в виду, что краевой угол, образуемый каплей на поверхности твердого тела, всегда измеряют со стороны жидкости. Полного несмачивания, т. е. случая, когда краевой угол равен 180°, практически никогда не наблюдается, так, как между жидкостью и твердым телом всегда действуют силы притяжения, хотя бы и очень малые. [c.154] Помимо приведенного выше силового вывода, уравнение Юнга можн вывести и из термодинамических соображений. Приводим этот вывод по Адамг сону. [c.155] Сравнивая уравнения (VI, 10) и (VI, 11), можно сделать заключение, что жидкость растекается и смачивает поверхность, если при этом энергия системы уменьшается. [c.156] Исходя из общего условия минимальной поверхностной энергии при равновесии соприкасающихся сред, за меру смачивания тела жидкостью можно принять убыль свободной поверхностной энергии при образовании межфазной поверхности. между жидкостью и твердым телом. Отсюда следует, что из двух жидкостей лучше смачивает данную поверхность та, при растекании которой поверхностная энергия системы уменьшается на большую величину. Поскольку смачивание сопровождается уменьшением поверхностной энергии, в процессе смачивания выделяется тепло. Теплота смачивания 1 см поверхности обычно колеблется от 10 до 10 кал. Теплота смачивания может служить характеристикой способности жидкости смачивать поверхность твердого тела, если нельзя определить краевой угол смачивания, например при смачивании жидкостью порошков. [c.156] Избирательное смачивание было исследовано И. А. Ребиндером. Рассмотрим это явление более подробно. Представим себе, что поверхность твердого тела находится в соприкосновении с полярной водой и. каким-нибудь неполярным углеводородом. Тогда, если вода избирательно смачивает поверхность, т. е. если краевой угол 6, образуемый со стороны воды, 90°, а значение В = os 0 О, поверхность называют гидрофильной. Согласно уравнению (VI, 9) этот случай имеет место при условии, когда аз, з СТ ,з или когда аа, з —Ст1,з 0. Избирательное смачивание водой наблюдается обычно, когда разность полярностей между водой и твердым веществом меньше, чем между неполярным углеводородом и твердым веществом. К веществам с гидрофильной поверхностью относятся вещества с сильно выраженным межмолекулярным взаимодействием, например кварц, стекло, корунд, гипс, малахит, т. е. силикаты, карбонаты, сульфаты, а также окиси и гидраты окисей металлов. Из, органических веществ в качестве веществ с гидрофильной поверхностью можно указать целлюлозу. [c.157] Если же твердое тело лучше смачивается неполярным углеводородом, т. е. если для воды 0 90°, а значение В = os 0 О, поверхность называют гидрофобной или олеофильной. Согласно уравнению (VI, 9) этот случай может наблюдаться лишь тогда, когда СТ2, з сг1,з или когда аг, з — сп, з 0. Избирательное смачивание неполярным углеводородом наблюдается тогда, когда разность полярностей между углеводородом и твердым веществом меньше, чем между водой и этим веществом. К веществам с гидрофобной поверхностью относятся все углеводороды и другие органические соединения с большими углеводородными радикалами. Из неорганических соединений сюда надо отнести сульфиды тяжелых металлов тальк, графит, серу. [c.157] Ири краевом угле, равном 90°, очевидно, будет наблюдаться промежуточный случай, когда избирательное смачивание отсутствует. [c.157] Следует заметить, что во многих учебниках и монографиях гидрофильной или гидрофобной поверхностью называется поверхность, на которой вода образует, соответственно, острый или тупой краевой угол на границе с воздухом. Так определять гидрофильность или гидрофобность неправильно, поскольку большинство поверхностей дают с водой в атмосфере воздуха острые краевые углы. Иначе обстоит дело при избирательном смачивании поверхности водой в присутствии неполярной жидкости. В этом случае вода далеко не всегда образует острый краевой угол. Гидрофильные поверхности в этих условиях будут избирательно смачиваться водой, при этом краевые углы 6 90° однако если поверхности гидрофобные, углеводород частично вытесняет воду и для воды е 90 °С. [c.158] Для измерения краевого угла, образуемого двумя несмевдиваю- щимися жидкостями на поверхности твердого тела, пластинку из исследуемого вещества погружают в стеклянную кювету с более легкой жидкостью и затем на поверхность пластинки осторожно с помощью пипетки наносят каплю более тяжелой жидкости. Далее поступают так же, как и в предыдущем случае. [c.158] Помимо этого простейшего, но не очень точного метода определения краевого угла есть и другие, более точные, но и более сложные методы, которые рассматриваются в практикумах по коллоидной химии. [c.158] Следует заметить, что определить истинное значение краевого угла часто затруднительно по следующим причинам. [c.158] Явление гистерезиса наглядно проявляется в том, что краевой угол очень часто зависит от условия его образования. А именно, если каплю жидкости прижать к поверхности твердого тела, то краевой угол будет меньше, чем в том случае, если каплю осторожно нанести на поверхность,. В капиллярах с неполностью смачиваемыми стенками вследствие гистерезиса жидкость поднимается иа различную высоту в зависимости от того, поднимается ли жидкость свободно по капилляру, или же сначала заполняют капилляр и затем дают стечь жидкости до достижения равновесного положения. [c.159] Гистерезис является также причиной того, что краевой угол, образуемый при натекании жидкости, обычно гораздо больше, чем при оттекании. Последнее явление можно наблюдать, когда капли дождя стекают не по слишком чистому оконному стеклу, при этом капли как бы задерживаются и снизу образуют гораздо больший краевой угол, чем сверху. [c.159] С целью устранения гистерезиса, происходящего в результате адсорбции воздуха, методику определения краевого угла можно видоизменить следующим образом. Пластинку твердого вещества вводят в стеклянную кювету с жидкостью и после полного смачивания ее поверхности устанавливают в горизонтальном положении. Затем под пластинку, не вынимая ее из жидкости, с помощью пипетки с загнутым концом вводят пузырек воздуха. Далее определение краевого угла, который и в этом случае измеряют сб стороны жидкости, проводят так же, как было описано выше. [c.159] Вообще благодаря определенной ориентации молекул вещества в поверхностном слое можно говорить о поверхностной и объемной - гидрофильности или гидрофобности вещества. [c.160] На практике наиболее важен случай, когда смачивающей жидкостью является вода. Плохо смачиваются водой неполярные вещества, например поверхности, покрытые углеводородами. Для улучшения смачивания водой обычно применяют смачиватели — растворимые, хорошо адсорбирующиеся, поверхностно-активные вещества, понижающие поверхностное натя (ение на границе твердое тело — жидкость и одновременно на границе жидкость — воздух. При нанесении на поверхность смачивателя краевой угол, являющийся мерой смачивания, согласно уравнению (VI, 9), уменьшается в результате снижения значений gi, 3 и i, 2, а смачивание соответственно возрастает. [c.160] Интересным свойством монослр ев поверхностно-активных веществ является их способность переходить из раствора на твердую поверхность и образовывать на этой поверхности полимолекуляр-ные слои. Это свойство было обнаружено еще Блоджетт на следующем опыте. [c.161] В моиомолекулярный плотно упакованный слон молекул поверхностно-активного вещества, образованный на поверхности воды, осторожно вводят в вертикальном положении стеклянную пластинку. При погружении этой пластинки гидрофильная поверхность ее покрывается мономолекулярным слоем поверхностноактивного вещества, причем полярная часть молекул, вещества, естественно, будет обращена к полярной поверхности стекла и поверхность пластинки, таким образом, станет гидрофобной. После этого пластинку вместе с адсорбированным на ней слоем поверхностно-активного вещества осторожно извлекают из раствора. При этом на пластинке, уже адсорбировавшей моиомолекулярный слой поверхностно-активного вещества, адсорбируется второй слой того же вещества, причем неполярные радикалы молекул этого слоя обращены к неполярным радикалам первого слоя, т. е. по направлению к пластинке. В результате на поверхности пластинки образуется бимолекулярный слой молекул, обращенных друг к другу неполярными радикалами, а поверхность пластинки станет снова гидрофильной. Неоднократно повторяя эту операцию, можно перенести на пластинку значительное число слоев поверхностноактивного вещества, делая поочередно поверхность пластинки то гидрофобной, то гидрофильной. [c.161] Вернуться к основной статье