Поверхностные явления на границе «твердое-жидкое-газ»

Рассмотрим поведение капли жидкости на поверхности твердой фазы (см. рис. 48). Жидкость может растекаться по поверхности твердой фазы. Такое явление называют смачиванием. В случае обособления жидкой фазы в виде капли наблюдаются явления несмачивания. Если обозначить твердую фазу цифрой 3, жидкую — 1, газовую — 2, то на границе раздела трех фаз можно рассмотреть равновесие сил поверхностного натяжения между каждой парой фаз (рис. 49):

Рис. 48. Различные случаи неполного смачивания: а — 6 < 90°; б — 0 = 90°; в — в > 90°.

Рис. 49. Зависимость между краевым углом смачивания и поверхностными натяжениями а, ₂; а_{2 3}; а, _3.

о, з — на границе раздела жидкой и твердой фаз; а, 2 — на границе жидкой и газовой фаз;

<�т_{2 3} — на границе газовой и твердой фаз.

Эти силы направлены тангенциально к каждой границе раздела фаз.

Краевым углом смачивания называется угол, образуемый касательной к поверхности жидкой фазы, проведенной из точки соприкосновения трех фаз, и замеренный в жидкой фазе. При равновесии сил в точке, А справедливо соотношение.

где 0 — краевой угол смачивания. Тогда cosO = (ст_{2 3} — а, ₃) / а, ₂ = В.

Анализ этого уравнения показывает, что смачивание жидкостью поверхности твердого тела лучше (угол 0 меньше, cos0 = 1), чем больше поверхностное натяжение на границе Т-Г (твердое — газ) и меньше на границе Т-Ж и Ж-Г. Капля в этом случае стремится растечься по возможно большей площади, чтобы устранить эту поверхность. Если поверхностная энергия раздела Т-Ж велика, то капля стремится принять форму шара, чтобы уменьшить поверхностное соприкосновение этих фаз. При полном смачивании 0 = 0, жидкость полностью растекается по поверхности твердой фазы и В = cos0 = 1, при полном несмачивании 0 = 180°, cos0 = В = — 1. Таким образом, смачивание является процессом, при котором в системе из трех соприкасающихся фаз происходит уменьшение свободной энергии. Когда жидкость растекается по твердому телу, происходит замена поверхности с большим поверхностным натяжением а_{2 3} на поверхность с меньшим поверхностным натяжением ст, ₂. При этом происходит уменьшение свободной энергии, что сопровождается выделением тепла.

Теплота смачивания имеет небольшую величину: от 8,8 до 74,4 Дж/г для глинистых минералов. Теплота смачивания может служить характеристикой способности данной жидкости смачивать поверхность твердого тела, если невозможно определить углы смачивания.

Количественной характеристикой сил сцепления между разнородными телами может служить работа, которую нужно затратить на их разделение и которую называют работой адгезии. В отличие от нее работу, затрачиваемую на преодоление сил сцепления, действующих между частицами внутри однородного по составу тела, называют работой когезии.

Работа адгезии, т. е. полное отделение жидкой фазы от твердой поверхности в условиях контакта трех фаз:

Знак (—) перед членом а, ₃ означает, что данная поверхность между жидкой и твердой фазой исчезает, тогда:

Возможны два случая:

1.0 = 0; cos0 = В = 1; w" = 2а, ₂

Работа, затрачиваемая на отрыв жидкости с поверхности твердой фазы, равна удвоенному значению поверхностного натяжения. В этом случае краевой угол смачивания не образуется и отрыв идет по жидкой фазе. Это соответствует работе когезии, в результате которой поверхность удваивается.

2. 0 = 180; В = cos0 = —1; w_a = 0.

В этом случае отрыв капли осуществляется без затраты работы.

Однако оба этих крайних условия выполняются редко. Обычно 0 < 0 < 180°. В этом случае смачиваемость твердого тела жидкостью делят на два типа в зависимости от угла 0.

При 0 < 0 < 90° поверхность называют лиофильной. Если в качестве смачиваемой жидкости используется вода, то поверхность называют гидрофильной. Этот случай наблюдается при условии а_{2 3} > а, ₃ или а₂₃ — а, з > 0. К веществам с гидрофильной поверхностью относят вещества с сильно выраженным межмолекулярным взаимодействием: кварц, стекло, силикаты, карбонаты, сульфаты, оксиды и гидроксиды металлов.

Если 0 > 90°, то поверхность называют гидрофобной или олеофильной. Этот случай наблюдается лишь тогда, когда а₂₃ < а, ₃. К веществам с гидрофобной поверхностью относятся все углеводороды и органические соединения с большими углеводородными радикалами, из неорганических — сернистые металлы, графит. Гидрофобизация придает различным материалам водоотталкивающие свойства (см. рис. 50), которые выражаются в том, что вода стекает с поверхности этих изделий, не смачивая их. Однако пары воды могут преодолевать эту гидрофобную пленку, проникать внутрь материала, повышая его влагосодержание.

На рис. 51 схематически представлены пять положений минеральных частиц различной смачиваемости водой и воздухом.

Частицы 3 погружены в воду, на них сверху помещены капли воды 1, а снизу подведены воздушные пузырьки 2. На рис. 51, а представлен минерал, обладающий почти полной смачиваемостью водой. Воздушный пузырек в этом случае занимает очень малую поверхность твердой фазы, т. е. твердая фаза не взаимодействует. При 0 = 90° (см. рис. 51, в) силы поверхностного натяжения направлены тангенциально горизонтальной поверхности, В = cos0 = 0.

Рис. 50. Схема образования гидрофобной пленки на поверхности зерна.

Рис. 51. Смачиваемость минеральных зерен водой и воздухом.

Эту точку перехода из гидрофильного состояния в гидрофобное П. Ребиндер назвал точкой инверсии. На рис. 51, г, д показано постепенное возрастание краевого угла смачивания 0 > 90°, при этом уменьшается смачивание поверхности водой и соответственно увеличивается смачивание минерала воздухом (газовая фаза 2). Внизу под каждой из схем показаны суммарные поверхностные натяжения, действующие на частицы в воде. Из схем в левой гидрофильной части видно, что силы направлены вниз однонаправленно с силой тяжести. Следовательно, такие минеральные частицы будут полностью смочены водой и утонут. В правой гидрофобной части (см. рис. 51, г, д) силы направлены вверх, против сил тяжести, следовательно, частицы не будут оседать и не утонут.

Сила F— 1 — В = 1 — cosG носит название прочности прикрепления минеральной частицы к пузырькам воздуха. Величина В = cos0 характеризует меру смачивания твердой фазы водой.