Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Смачивание и растекание

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 613442.01.99
Нуштаева А. В. Смачивание и растекание: методические указания к лабораторной работе по физической химии в дорожном материаловедении / А. В. Нуштаева. - Пенза: ПГУАС, 2004. - 15 c. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/365191 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Пензенский государственный университет 
архитектуры и строительства 

СМАЧИВАНИЕ И РАСТЕКАНИЕ 

Методические указания к лабораторной работе 
по физической химии в дорожном материаловедении 

Пенза 2004 

УДК 541.1 (075) 
ББК 24.Б 
С50 

Рекомендовано Редсоветом университета 

Рецензент — кандидат 
химических 
наук, 
доцент Т.Н. Хаскова 

Смачивание и растекание: Методические указания к лабораС50 торной работе по физической химии в дорожном материаловедении 
/ 
П.М. 
Кругляков, 
А.В. 
Нуштаева. 
- 
Пенза: 
ПГУАС, 2004. - 1 5 с. 

Приведены краткие теоретические сведения. Описан порядок выполнения и 
оформления лабораторной работы, позволяющей ознакомиться с методами 
определения краевых углов смачивания. Даны контрольные вопросы. 

Методические указания подготовлены на кафедре химии и предназначены 
для использования студентами 3-го курса специальности 290100 "Архитектура". 

© Пензенский государственный 

университет архитектуры и строительства, 2004 
© П.М. Кругляков, А.В. Нуштаева, 2004 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

В гетерогенных системах различают два типа межмолекулярного 
взаимодействия: внутрифазное и межфазное. Притяжение атомов и 
молекул внутри отдельной фазы называют когезией. 

Понятия адгезии, смачивания и растекания относятся к межфазным взаимодействиям. 

Адгезия - взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями фаз разной природы. Адгезия (прилипание) обеспечивается физическими или химическими межмолекулярными силами. Смачивание 
и растекание 
— это поверхностные явления на 
границе раздела между жидким и твердым телом и газом. 

Явления 
адгезии и смачивания 
широко 
распространены 
в 
природе и технологических процессах: склеивание различных материалов, покрытие лаками, красками, нанесение битума на каменный 
материал, металлических покрытий, печатание, крашение тканей, 
изготовление различных материалов на основе связующих (стеклопластики, резина, бетон и т.д.). 

Рассмотрим количественные характеристики когезионных и адге 
зионных процессов. Возьмем столбик жидкости (рис. 1). Чтобы 
разорвать его и образовать две новые 
поверхности 
раздела, 
необходимо затратить работу, которая равна работе когезии, но 
противоположна по знаку: 

W W - -W K = -AG. 
(1) 

Ol2 

Рис. 1. Схема, иллюстрирующая понятие когезии 

3 

Изменение энергии Гиббса в этом процессе, отнесенное к единице площади поверхности s, 

AG 
AG 
AG 
= — 
HSL= о12 + а,2 - 0 = 2О12, 

s 
s 
5 

где о\2 ~ поверхностное натяжение на границе жидкость - газ 

WK = 2 о12. 
(2) 

Понятие адгезии иллюстрируется на рис. 2. 

Ш 

Рис. 1. Схема, иллюстрирующая понятие адгезии 

Работа, затрачиваемая на разрыв этого поверхностного слоя, 
будет равна работе адгезии с обратным знаком: 

^разр = -AG = - W „ 

где AG - изменение энергии Гиббса в процессе разрушения адгезионного слоя (на единицу площади). 
Для начального и конечного состояний системы поверхностная 
энергия Гиббса определяется из соотношения 

Снач = 
GK0]1 = СТ32 + о12, 

здесь индексы 13, 12, 32 относятся к поверхностям раздела соответствующих фаз. Тогда 

AG = ст32 + СТ12 - СГ13. 

следовательно, 

^ а " 
о12 - о13. 
(3) 

Уравнение (3) называют уравнением Дюпре. Из него вытекает, 
что межфазное натяжение О]3 тем меньше, чем больше межфазное 
взаимодействие на границе раздела фаз (адгезия). 

4 

Рассмотрим качественную картину поведения капли жидкости 
(фаза 1) на твердой поверхности (фаза 3). Из рис. 3,а видно, что 
капля может самопроизвольно растекаться по твердой поверхности. 
Условие растекания 0-32 > а^. При этом поверхность с большей 
энергией Гиббса заменяется на поверхность с меньшей энергией, что 
приводит к снижению энергии системы. 

Но ввиду того, что в этом процессе увеличивается энергия 
Гиббса на границе жидкость/газ, можно ожидать остановку процесса растекания, когда (ст32 _ ст(з) соизмеримо с С|2, или неограниченное растекание, когда а ^ ~ 013 > а(2 (отг ~~ аГж > <3жг)
Во втором случае, когда 032 < о 13 (рис. 3,6), очевидно, что 
снижение энергии системы 5Д0 приводит к самопроизвольному уменьшению площади контакта, то есть к стягиванию капли. 

1 

< 
Ш Ш в ^ / Ш Ш Ш Ш Ж 
<*13 
3 

V ( V ' 

3 

Рис. 3. Поведение капли жидкости на твердой поверхности: 
а - смачивание сгз2 > 013; б - несмачивание 032 < о13; 

1 - жидкость, 2 - газ, 3 - твердое тело 

В первом случае происходит смачивание, а во втором - несмачивание твердого тела жидкостью. 

Количественной характеристикой смачивания является краевой 
угол 0, который определяется как угол между твердой поверхностью 
и касательной в точке соприкосновения трех фаз, отсчитываемый в 
сторону жидкой фазы. 

Угол, образующийся в системе 
жидкость/жидкость/твердое 
тело, называется углом избирательного смачивания. 
Например, 
капля масла (в качестве фазы 1 на рис. 3), находящаяся в воде 
(в качестве фазы 2) на поверхности твердой пластины (фаза 3 /га 
рис. 3). 

Таким образом, в случае смачивания угол 0 меньше 90° (cos 8 > 0), 
а в случае несмачивания - Э > 90° (cos 0 < 0). При 0 < 90° поверхность называется гидрофильной, при 0 > 90° - гидрофобном 
процессе избирательного смачивания. 

5 

Так как поверхностное натяжение можно рассматривать как 
энергию, приходящуюся на единицу площади, или как силу, действующую на единицу длины, то эти составляющие поверхностной 
энергии можно выразить с помощью векторов сил, действующих по 
периметру капли. Так, из рис. 3 следует: 

°32 = ст13 + O)2C°S0 
(4) 

или 

cos 6 = СТз2 ~ а 1 3 . 
(4,а) 

а)2 

Уравнения (4) и (4,а) определяют условия смачивания и 
являются математическим выражением закона Юнга. 

С учетом уравнения (4,а) из уравнения (3) получим: 

^ а = о 1 2(1 + cos8). 
(5) 

Уравнение (5), выражающее взаимосвязь работы адгезии, поверхностного натяжения жидкости и краевого угла смачивания, 
называется уравнением Юнга - Дюпре. 

Из уравнения (5) можно найти связь работы адгезии и когезии для смачивающей жидкости. Разделив обе части уравнения (5) на 
получим: 

W _ 1 +COS 9 
^ 

2а,2 
2 

E l - < t + C Q S е> 
2 

Таким образом, 
смачивание, 
характеризующееся 
косинусом 
краевого угла, определяется отношением работы адгезии к работе 
когезии для смачивающей жидкости. 

Рассмотренные выше закономерности смачивания выполняются 
не на всех поверхностях, 
а только на идеально гладких 
и 
однородных поверхностях твердых тел. Реально же твердые тела 
всегда имеют неоднородности: поры, трещины, шероховатости и 
т.д., от которых зависит краевой угол смачивания и которые затрудняют определение равновесных краевых углов. Явление отклонения 
статических (измеряемых) краевых углов от равновесного значения 
называется гистерезисом смачивания. Причины, вызывающие гистерезис, могут быть весьма различны: процессы испарения, растворения, адсорбции, загрязнение поверхности твердых тел и т.п. 

Отсутствие поступательного теплового движения молекул твердого 
тела (наличие потенциального барьера) замедляет достижение равновесной формы капли, что обусловливает кинетический гистерезис. 

6 

При наличии гистерезиса смачивания различают краевые углы 
натекания и оттекания (рис. 4). 

б 
Угол оттекания 

Угол натекания 

Рис. 4. Формирование статических углов натекания и оттекания 
при изменении количества жидкости в капле (а) 
и угла наклона поверхности (б) 

Если к капле жидкости, образующей на твердой поверхности 
равновесный краевой угол, добавить очень небольшое количество 
жидкости или отобрать из нее небольшое количество жидкости, то п 
обоих случаях площадь, занимаемая каплей, сразу не изменится, а 
соответственно увеличится или уменьшится так называемый статический краевой угол (рис. 4,а). Еще лучше различие углов натекания и оттекания будет заметно, если наклонить пластинку с нанесенной на нее каплей жидкости (рис. 4,6). 

При этом в нижней части капли образуется угол натекания, в 
верхней - 
оттекания. Чаще под этими терминами понимаются 
экстремальные значения статических краевых углов, то есть наибольший угол - угол натекания, а наименьший угол — угол оттекания. Как только достигается значение этих углов, площадь, занимаемая каплей, начинает изменяться: при достижении предельного 
угла оттекания она уменьшается, а при достижении предельного 
угла натекания - увеличивается. В момент изменения площади 
капли преодолевается потенциальный барьер, тормозящий установление равновесия. Величину потенциального барьера можно определить, постепенно наклоняя пластину с каплей: в момент начала 
течения достигаются предельные значения углов, а составляющая 
силы тяжести, направленная параллельно пластине, становится равной силе сопротивления. 

Зная силу сопротивления, приходящуюся на единицу длины периметра контакта, можно получить соотношение между предель 

7 

ньтми углами натекания 9(гг и оттекания 9frr. Угол натекания всегда 
больше равновесного краевого утла, значит: 

CT23COS 0НТ < O23C0S 0. 
(7) 

Для приближенной оценки краевого угла иногда считают, что 

0 =
 9ит +в о т 
2 

Если на гладкой поверхности вследствие потенциального барьера 
только тормозится 
достижение 
краевого 
угла 
смачивания, 
то 
шероховатость поверхности изменяет угол смачивания. Шероховатость характеризует микрорельеф поверхности: наличие трещинок, 
впадин, выступов. Шероховатость уменьшает угол смачивания и 
улучшает смачивание. Если cos 6 < 0, то есть поверхность гидрофобная, то шероховатость увеличивает угол смачивания, то есть уменьшает смачивание. Сильное влияние на смачивание оказывает 
адсорбция на поверхностях раздела взаимодействующих фаз. 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 

Определение краевого угла 

Методика изучения смачивания путем измерения краевого угла 
заключается в том, что капля жидкости или пузырек газа помещается 
на твердую поверхность и освещается сильным источником света. 

Порядок проведения измерений краевого угла 
на границе вода/воздух/твердая пластина 

Схема устройства для определе1гая краевого угла показана на рис. 5. 

Рис. 5. Схема устройства для определения краевого угла смачивания 

на границе вода/воздух: 
1 - экран; 2 - линза; 3 - кювета с водой (раствором); 4 - пузырек 
воздуха; 5 - пластинка; 6 - столик с подъемным устройством; 
7 - проектор 

8 

Установите кювету с водой (или раствором) на столик с подъемным устройством. Поместите в кювету стеклянную (или парафинированную) пластинку. Установите проектор и линзу, закрепленную в штативе, как это показано на рис. 5. Закрепите лист 
бумаги на экране напротив проектора. Включите проектор. Передвигая штатив с линзой, добейтесь четкого изображения пластинки на 
экране. 

С помощью шприца с изогнутой иголкой создайте пузырек 
воздуха под пластинкой. Осторожно перемещая кювету (или штатив 
с линзой), обеспечьте четкое изображение пузырька на экране. 

Обведите карандашом проекцию поверхности пузырька воздуха 
и пластинки на экране. Открепите лист бумаги с рисунком. Про 
ведите касательную к поверхности вода/воздух в точках контакта с 
пластинкой, например, как на рис. 6. 

I м е т о д . Измерьте углы 0] и 62 с помощью транспортира. Най 
дите среднее экспериментальное значение краевого угла: 

Q _ В. +02 

Рассчитайте среднее квадратичное отклонение от среднего ариф 
метического: 

ств = лДё-0,) 2 + ( 0 - 0 2 ) 2 . 
Запишите результаты измерений в таблицу в виде: 

е ±а 5 . 

Т а б л и ц а 

Стеклянная 
пластинка 

Парафинированная 
пластинка 

вода 
раствор 
ПАВ 
вода 
раствор 
ПАВ 

Краевой 
угол 0 

I метод 

Краевой 
угол 0 

II метод 

II м е т о д . Для более точного вычисления краевого угла необходимо измерить высоту h пузырька и его основание d, как показано 
на рис. 7. 

вода 
вода 

Рис. 7. Определение краевого угла 
методом измерения параметров пузырька 

Для углов 0 > 90° (рис. 7,а), когда поверхность пластинки 
гидрофобна, радиус основания пузырька 

г = — = (R - h) - tg а. 
2 

Радиус кривизны поверхности пузырька R можно выразить из 
прямоугольного треугольника: 

Я2 = (Я - Л)2 + г2, 

R2 - R2 - 2Rh + h2 + г2, 

h7+r2 

R = 

Следовательно, 

а краевой угол 

t g a = 

2 h 

г 
2 rh 

R-h 
г 

9 - 180° - a. 

Для углов 0 < 90°, когда жидкость смачивает поверхность пластинки (рис. 7,6): 

г 
2rh 
tg в = 

h-R 
r2+h 2 ' 

10