Крайовий кут змочування або кут контакту θс. γSL. γLG. γSG позначені відповідно як питомі вільні поверхневі енергії на межі поділу фаз: тверде тіло-рідина (SL), рідина-газ (LG) і тверде тіло-газ (SG).
Крайовий кут змочування. також кут змочування. кут контакту (англ. Contact angle) - кут, який утворюється між дотичній, проведеної до поверхні фази рідина-газ і твердою поверхнею з вершиною, що розташовується в точці контакту трьох фаз, і умовно вимірюваний завжди всередину рідкої фази [1]. Позначається грецької буквою тета - θ.
Крайовий кут змочування є кількісною характеристикою процесу змочування. його величина визначає межмолекулярное (атомне, іонну) взаємодія частинок поверхні твердих тіл з рідинами.
Фізичне опис [| ]
Наочний приклад змочування рідиною твердої поверхні. А - крайовий кут багато більше 90 ° і, як наслідок погане змочування (краплина має майже кулясту форму і слабку взаємодію з твердою поверхнею - відбувається зменшення площі контакту рідини з нею), В і С - крайовий кут менше θ<90°, капли жидкости приобретают менискообразную форму (лучшее взаимодействие с твёрдой поверхностью, площадь контакта жидкости больше, чем в примере А), S — краевой угол θ=0°(по сути его нет) — полное смачивание, происходит растекание жидкости по твёрдой поверхности, площадь контакта жидкости с твёрдой поверхностью в данном случае максимален. Процесс растекания жидкости является предельным случаем смачивания.
Вважається, що якщо величина крайового кута менше θ<90°, то происходит смачивание жидкостью твёрдой поверхности, а сама поверхность называется лиофильной (в случае, если жидкость вода — гидрофильной), в случае, если величина краевого угла больше θ>90 °, то тверда поверхня не змочується рідиною і є ліофобній (гидрофобной). При повному або абсолютному змочуванні крайової кут дорівнює нулю, при повному або абсолютному несмачіванія - 180 °, останнє значення не спостерігається в природі. Рівноважний крайовий кут обчислюється за законом Юнга:
Величина косинуса крайового кута визначає змочується чи тверда поверхня рідиною чи ні. Значення косинусів контактного кута приведена в таблиці:
Рідина на поверхні твердого тіла утворює сферичні краплі, проте, таке значення контактного кута в природі не спостерігається.
На фотографії чітко видно, що ртуть погано змочує скло (Θ> 90 °), внаслідок слабкої взаємодії з ним (робота сил адгезії менше роботи когезії) і приймає каплеподібну форму (знижується площа контакту).
Величина крайового кута залежить від роботи адгезії і когезії. З роботою адгезії контактний кут пов'язаний рівнянням Дюпре-Юнга:
де σ12 - поверхневий натяг на межі розділу двох фаз (рідина-газ), cosθ - крайовий кут змочування, Wa - оборотна робота адгезії. Це рівняння можна представити в наступному вигляді:
Якщо рівняння розділити на 2, то можна отримати залежність роботи сил адгезії і когезії від величини кута змочування:
Робота адгезії спрямована на розтікання рідини по поверхні твердого тіла, за допомогою розтягування. У той же час робота когезионних сил - Wк протилежна роботі адгезії і сприяє стягуванню рідини в каплеподібну форму, запобігаючи розтіканню. З цього випливає, що чим вище значення Wa, і чим нижче Wк, тим сильніше рідина буде смачиваться твердою поверхнею (як наслідок, величина θ<90°) и наоборот. Иными словами для того, чтобы усилить смачивание жидкости твёрдой поверхности необходимо увеличить работу адгезии и снизить работу когезии.
Гістерезис змочування [| ]
Гістерезисом змочування називають гистерезис. що виникає в результаті різних значень кутів змочування в точках дотику взаємодіючих фаз (т.зв. кути натекания і оттеканія). Іншими словами гистерезис змочування це затримка у встановленні рівноважного кута. Різниця крайових кутів обумовлена тим, що кут в точці дотику поверхні рідини з сухою поверхнею твердого тіла має значення величини більшу, ніж при зіткненні з поверхнею того ж тіла, попередньо змоченою.
Існує два типи гістерезису:
Кінетичний тип гістерезису змочування виникає при переміщенні (зміні) значень кутів змочування - різниця кутів натікання (завжди більше рівноважного кута) і оттеканія (завжди менше рівноважного кута).
Статистичний тип обумовлений зниженням периметра змочування. Розраховується як різниця між рівноважним кутом і кутом, обчисленим.
Методи вимірювання [| ]
Існує кілька методів вимірювання крайового кута змочування. Одним з найбільш поширених є метод сидячій краплі. Суть методу полягає в тому, що краплю води наносять на рівну горизонтальну тверду поверхню, фотографують і за профілем краплі визначають крайової кут. Однак отримані таким чином статичні кути не є, строго кажучи, кутами оттеканія θот або натекания θнт води. Іноді статичний кут сидячій краплі називають рівноважним.
Видозмінений метод сидячій краплі - метод притиснутою краплі. Використовуючи даний метод можна отримати безпосередньо кути натекания і оттеканія. Однак ці кути залежать від сили притиснення краплі.
Супергідрофобность [| ]
Супергідрофобностью або сверхгідрофобностью називається явище дуже слабкої взаємодії частинок поверхні твердих тіл з рідинами, зокрема, з водою. Значення контактного кута становить більше 150 °. Внаслідок слабких сил взаємодії (значення Wa <Примітки [| ]
Схожі статті