Смачивание - явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел. Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют смачивающей ; если силы притяжения жидкости и твердого тела меньше сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют несмачивающей это тело.

Одна и та же жидкость может быть смачивающей и несмачивающей по отношению к разным телам. Так, вода смачивает стекло и не смачивает жирную поверхность, ртуть не смачивает стекло, а смачивает медь.

Смачивание или несмачивание жидкостью стенок сосуда, в котором она находится, влияет на форму свободной поверхности жидкости в сосуде. Если большое количество жидкости налито в сосуд, то форма ее поверхности определяется силой тяжести, которая обеспечивает плоскую и горизонтальную поверхность. Однако у самых стенок поверхность жидкости все-таки искривляется.

Рассмотрим молекулу жидкости у стенки сосуда (рис. 1). Пусть \(~\vec F_1\) равнодействующая сил, действующих на эту молекулу со стороны твердого тела, \(~\vec F_2\) - со стороны молекул жидкости. Сила \(~\vec F_1\) перпендикулярна стенке, \(~\vec F_2\) направлена под углом 45° к стенке. Для смачивающей жидкости (рис. 1, а) модули сил F 1 > F 2 . Равнодействующая этих сил \(~\vec F\) является силой молекулярного давления, приложенной к молекулам, и должна быть направлена в глубь жидкости перпендикулярно ее поверхности. Поэтому поверхность вблизи стенок не горизонтальна, а искривляется. Аналогично доказывается искривление у стенок свободной поверхности и для несмачивающей жидкости (рис. 1, б).

Мерой смачивания служит краевой угол θ - это угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и стенкой (плоскостью поверхности твердого тела). Внутри краевого угла всегда находится жидкость (рис. 2, а, б). Для смачивающей жидкости θ - острый, для несмачивающей θ - тупой. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°. Если смачивающая жидкость находится на открытой поверхности твердого тела (рис. 3, а), то происходит ее растекание по этой поверхности. Если на открытой поверхности твердого тела находится несмачивающая жидкость, то она принимает форму, близкую к шаровой (рис. 3, б).

Смачивание имеет важное значение как в быту, так и в промышленности. Хорошее смачивание необходимо при крашении, стирке, обработке фотоматериалов, нанесении лакокрасочных покрытий, при склеивании материалов, при пайке, во флотационных процессах (обогащение руд ценной породой).

И наоборот, при сооружении гидроизоляционных устройств необходимы материалы, не смачиваемые водой.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 181-182.

На границе раздела жидкости с твердым телом возникают явления смачивания или несмачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости с молекулами твердого тела:

Рис.1 Явления смачивания (а) и несмачивания (б) жидкостью поверхности твердого тела (— краевой угол)

Так как явления смачивания и несмачивания определяются относительными свойствами веществ жидкости и твердого тела, одна и та же жидкость может быть смачивающей для одного твердого тела и несмачивающей для другого. Например, вода смачивает стекло и не смачивает парафин.

Количественной мерой смачивания является краевой угол угол, образуемый поверхностью твердого тела и касательной, проведенной к поверхности жидкости в точке соприкосновения (жидкость находится внутри угла).

При смачивании и чем меньше угол тем сильнее смачивание. Если краевой угол равен нулю, смачивание называют полным или идеальным . К случаю идеального смачивания можно приближенно отнести растекание спирта по чистой поверхности стекла. В этом случае жидкость растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всю поверхность.

При несмачивании и чем угол , тем сильнее несмачивание. При значении краевого угла наблюдается полное несмачивание. В этом случае жидкость не прилипает к поверхности твердого тела и легко скатывается с нее. Подобное явление можно наблюдать, когда мы пытаемся вымыть жирную поверхность холодной водой. Моющие свойства мыла и синтетических порошков объясняются тем, что мыльный раствор имеет меньшее поверхностное натяжение, чем вода. Большое поверхностное натяжение воды мешает ей проникать в мелкие поры и промежутки между волокнами ткани.

Явления смачивания и несмачивания играют важную роль в жизни человека. При таких производственных процессах, как склеивание, покраска, пайка очень важно обеспечить смачивание поверхностей. В то время, как обеспечение несмачивания очень важно при создании гидроизоляции, синтезе непромокаемых материалов. В медицине явления смачивания важны для обеспечения движения крови по капиллярам, дыхания и других биологических процессов.

Явления смачивания и несмачивания ярко проявляются в узких трубках - капиллярах .

Капиллярные явления

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Капиллярные явления - это подъем или опускание жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.

Смачивающая жидкость поднимается по капилляру. Жидкость, не смачивающая стенки сосуда, опускается в капилляре.

Высота h поднятия жидкости по капилляру определяется соотношением:

где коэффициент поверхностного натяжения жидкости; плотность жидкости; радиус капилляра, ускорение свободного падения.

Глубина , на которую опускается жидкость в капилляре, вычисляется по той же формуле.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Изогнутую поверхность жидкости называют мениском .

Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью. Поэтому жидкость в капилляре поднимается до тех пор. пока гидростатическое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений. Под выпуклым мениском несмачивающей жидкости давление больше, чем под плоской поверхностью, это приводит к опусканию жидкости в капилляре.

Капиллярные явления мы можем наблюдать и в природе, и в быту. Например, почва имеет рыхлое строение и между ее отдельными частицами находятся промежутки, представляющие собой капилляры. При поливе по капиллярам вода поднимается к корневой системе растений, снабжая их влагой. Также находящаяся в почве вода, поднимаясь по капиллярам. испаряется. Чтобы уменьшить эффективность испарения, тем самым сократив потери влаги, почву разрыхляют, разрушая капилляры. В быту капиллярные явления используются при промокании влажной поверхности бумажным полотенцем или салфеткой.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Смачивание - это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой.

Смачивание бывает двух видов:

Иммерсионное(вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

Контактное(состоит из 3х фаз - твердая, жидкая, газообразная)

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости, пока(2008) не разработано. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.

Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности

(лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т.д.). К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным по результатам измерения контактного угла.

При соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела возможны два случая: жидкость смачивает твердое тело и не смачивает его. Если, например, капли ртути поместить на поверхность чистого железа и на чистое стекло, то на поверхности железа они будут растекаться, а на поверхности стекла иметь форму, близкую к шарообразной.

Если силы взаимодействия молекул твердого тела и молекул жидкости больше сил взаимодействия между молекулами жидкости, то жидкость смачивает твердое тело (ртуть-железо). В другом случае жидкость не смачивает твердое тело (ртуть-железо).

Искривлённая поверхность жидкости в узких цилиндрических трубках или около стенок сосуда называется мениском. Поверхность смачивающей жидкости вблизи твердого тела поднимается, а мениск – вогнутый (рис.49.1,а).У несмачивающей жидкости ее поверхность вблизи твердого тела несколько опускается, и мениск – выпуклый (рис.49.1,б).

Рисунок 49.1

Определить, смачивающей или несмачивающей по отношению к твердому телу является жидкость, можно пол краевому углу (угол между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости в точке М).

Для жидкости, смачивающей поверхность твердого тела, краевой угол острый (< π/2); чем лучше смачивание, тем меньше. Для полного смачивания= 0. Для несмачивающих жидкостей краевой угол изменяется в пределах π/2 << π; при полном не смачивании= π.

У смачивающей жидкости мениск вогнутый, у несмачивающей – выпуклый.

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости, пока не разработано. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.

Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности (лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т.д.). К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным по результатам измерения контактного угла.

К примеру, популярный метод увеличения добычи нефти при помощи закачки воды в пласт исходит из того, что вода заполняет поры и выдавливает нефть. В случае мелких пор и чистой воды это далеко не так, поэтому приходится добавлять специальные ПАВ. Оценку смачиваемости горных пород при добавлении различных по составу растворов можно измерить различными приборами.

Смачиваемость воды.

Это свойство очень явственно проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода. Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.

• При рассмотрении молекулярной картины поверхностного слоя жидкости мы отмечали, что молекулы жидкости, расположенные на поверхности, разделяющей жидкость и газ {воздух или пар этой жидкости), почти не притягиваются молекулами газа {концентрация молекул газа слишком мала). Если жидкость граничит с твердым телом, то результат получается иным.

Явления на границе жидкость - твердое тело

На границе жидкость - твердое тело уже нельзя не считаться с силами притяжения между молекулами жидкости и молекулами твердого тела. Более того, в ряде случаев сила притяжения между молекулами жидкости и твердого тела оказывается больше силы притяжения между молекулами самой жидкости. В этом случае про жидкость говорят, что она смачивает твердое тело. Если силы притяжения между молекулами жидкости больше сил притяжения молекул твердого тела и молекул жидкости, то такая жидкость называется несмачивающей.

Так, стекло смачивается водой, но не смачивается ртутью. Значит, сила притяжения между молекулами воды и молекулами стекла больше силы притяжения молекул воды. В случае ртути и стекла силы притяжения между молекулами ртути и стекла малы по сравнению с силами притяжения между молекулами ртути.

Это подтверждает следующий опыт. Подвесим на чашке весов с укороченным подвесом чистую стеклянную пластинку и подведем под нее снизу сосуд с водой. Соприкасаясь с водой, пластинка смачивается и удерживается ею. Чтобы оторвать пластинку от воды, надо на другую чашку весов положить небольшой груз (рис. 7.14, а).

Рис. 7.14

Нижняя часть оторвавшейся пластинки оказывается покрытой водой (рис. 7.14, б). Это доказывает, что разрыв произошел не между поверхностями пластинки и воды, а между слоями воды. Следовательно, сила притяжения молекул стекла и молекул воды больше силы притяжения молекул воды друг к другу.

Если мы приведем ту же стеклянную пластинку в соприкосновение не с водой, а со ртутью, то при этом нижняя часть пластинки останется чистой (рис. 7.14, в). Это означает, что взаимодействие между молекулами ртути сильнее, чем взаимодействие между молекулами стекла и ртути. Здесь можно привести аналогию с растягиваемой цепью, которая рвется там, где у нее самое слабое звено.

Отличить смачивающую жидкость от несмачивающей очень просто. Для этого достаточно нанести каплю жидкости на поверхность твердого тела. Если жидкость смачивает тело, то капля растекается по поверхности, несмачивающая жидкость не растекается (рис, 7.15).

Рис. 7.15

Мениск

Форма поверхности жидкости в том месте, где она соприкасается с твердой стенкой и газом, зависит от того, смачивает или не смачивает жидкость стенки сосуда. Если жидкость является смачивающей, то угол Θ между касательной к поверхности жидкости и твердым телом на общей границе трех сред, отсчитываемый внутрь жидкости (краевой угол), острый (рис. 7.16, а). В том случае, когда жидкость не смачивает твердое тело, краевой угол Θ тупой (рис. 7.16, б). В случае полного смачивания Θ = 0°, а полного несмачивания - Θ = 180°.

Рис. 7.16

Только удаленная от стенок сосуда часть поверхности жидкости горизонтальна. Сближая противоположные стенки (беря более узкий сосуд), мы будем сокращать горизонтальную часть свободной поверхности жидкости (рис. 7.17, а, б), пока наконец она не исчезнет совсем (рис. 7.17, в). Поверхность жидкости становится изогнутой. Изогнутая поверхность жидкости называется мениском (от греческого слова menisos - лунный серп).

Рис. 7.17

В узких трубках смачивающие жидкости имеют вогнутый мениск (см. рис. 7.17, в), несмачивающие - выпуклый (рис. 7.18).

Рис. 7.18

В узких трубках при полном смачивании (или несмачивании) мениск жидкости представляет собой полусферу, радиус которой равен радиусу г канала трубки. Если смачивание (или несмачивание) неполное, то мениск жидкости в узких трубках также принимают за часть сферы, радиус которой R связан с радиусом трубки соотношением r = R cos Θ (рис. 7.19).

Рис. 7.19

Значение смачивания

Смачивание имеет важное значение в промышленности и быту. Хорошее смачивание необходимо при крашении и стирке, обработке фотографических материалов, нанесении лакокрасочных покрытий и др.

Моющие свойства мыла и синтетических порошков объясняются тем, что мыльный раствор имеет меньшее поверхностное натяжение, чем вода. Большое поверхностное натяжение воды мешает ей проникать в промежутки между волокнами ткани и в мелкие поры.

Существенно еще одно обстоятельство. Молекулы мыла имеют продолговатую форму. Один из концов имеет «сродство» к воде и погружается в воду. Другой конец отталкивается от воды и присоединяется к молекулам жира. Молекулы воды обволакивают частицы жира и способствуют их вымыванию.

Склеивание деревянных, кожаных, резиновых и других материалов также пример использования свойства смачивания. Пайка тоже связана со свойствами смачивания и несмачивания. Чтобы расплавленный припой (например, сплав олова со свинцом) хорошо растекался по поверхностям спаиваемых металлических предметов и прилипал к ним, надо эти поверхности тщательно очищать от жира, пыли, оксидов. Оловянным припоем хорошо можно паять детали из меди, латуни. Но алюминий не смачивается оловянным припоем. Для пайки алюминиевых изделий применяют специальный припой, состоящий из алюминия и кремния.

Важный пример применения явления смачивания и несмачивания - флотационный процесс обогащения руд. Для этой цели руду измельчают так, что кусочки ценной породы теряют связь с ненужной примесью. Затем полученный порошок взбалтывают в воде, в которую добавляют маслообразные вещества. Масло обволакивает (смачивает) ценную породу, но не пристает к примесям (не смачивает их). В полученную взвесь вдувают воздух. Пузырьки воздуха прилипают к несмачивающимся водой (вследствие покрытия масляной пленкой) кусочкам ценной породы. Это происходит потому, что тонкий слой воды между пузырьками воздуха и масляной пленкой, обволакивающей ценную породу, стремясь уменьшить свою поверхность, обнажает поверхность масляной пленки (подобно тому как вода на жирной поверхности собирается в капли, обнажая эту поверхность). Крупицы ценной породы вместе с прилипшими к ним пузырьками воздуха под действием архимедовой силы поднимаются вверх, в то время как ненужные примеси оседают на дно (рис. 7.20).

Рис. 7.20

Вода смачивает поверхности одних твердых тел (прилипает к ним) и не смачивает поверхности других. Эти свойства воды определяют множество полезных и просто любопытных явлений.

Из практики известно, что капля воды растекается на стекле и принимает форму, изображенную на рис. 98, в то время как ртуть на той же поверхности превращается в несколько сплюснутую каплю (рис. 99). В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором - не смачивает ее. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. Для несмачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твердым телом.

Рис. 98 Рис. 99

К линии соприкосновения трех сред (точка О есть ее пересечение с плоскостью чертежа) приложены три силы поверхностного натяжения, которые направлены по касательной внутрь поверхности соприкосновения соответствующих двух сред (рис. 98 и 99). Эти силы, отнесенные к единице длины линии соприкосновения, равны соответствующим поверхностным натяжениям s 12 , s 13 , s 23 . Угол qмежду касательными к поверхности жидкости и твердого тела называется краевым углом. Условием равновесия капли (рис. 98) является равенство нулю суммы проекций сил поверхностного натяжения на направление касательной к поверхности твердого тела, т. е.

Из условия (67.1) вытекает, что краевой угол может быть острым или тупым в зависимости от значений ×s 13 и s 12 . Если s 13 > s 12 , то cos q > 0 и угол q- острый (рис. 98), т. е. жидкость смачивает твердую поверхность. Если s 13 < s 12 , то cos q < 0 и угол q- тупой (рис. 99), т. е. жидкость не смачивает твердую поверхность. Краевой угол удовлетворяет условию (67.1), если

Если условие (67.2) не выполняется, то капля жидкости 2 ни при каких значениях qне может находиться в равновесии. Если s 13 > s 12 + s 23 , то жидкость растекается по поверхности твердого тела, покрывая его тонкой пленкой (например, керосин на поверхности стекла), - имеет место полное смачивание (в данном случае q = 0). Если s 12 > s 13 + s 23 , то жидкость стягивается в шаровую каплю, в пределе имея с ней лишь одну точку соприкосновения (например, капля воды на поверхности парафина), - имеет место полное иесмачнвавяе (в данном случае q = p).

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т. е. жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Явления смачивания и несмачивания имеют большое значение в технике. Напри мер, в методе флотационного обогащения руды (отделение руды от пустой породы) ее, мелко раздробленную, взбалтывают в жидкости, смачивающей пустую породу и не смачивающей руду. Через эту смесь продувается воздух, а затем она отстаивается. При этом смоченные жидкостью частицы породы опускаются на дно, а крупинки минералов «прилипают» к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность жидкости. При механической обработке металлов их смачивают специальными жидкостями, что облегчает и ускоряет обработку.