что такое угол смачивания

Смачивание и краевой угол

Величину поверхностного натяжения твердого тела непосредственно измерить трудно. Поэтому для исследования процессов взаимодействия твердых тел с жидкостями и газом пользуются косвенными методами изучения поверхностных явлений, протекающих на контактах между твердыми и жидкими телами. К таким методам относятся измерениеработы адгезии (Адгезия измеряется работой, которую надо затратить, чтобы оторвать твердое тело от жидкости в направлении нормали к поверхности раздела), исследование теплоты смачивания и углов избирательного смачивания и т. д.

Смачиванием называется совокупность явлений на границе соприкосновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие – несмешиваемые жидкости или жидкость и газ.

Капля жидкости может растекаться по поверхности, если поверхность хорошо смачивается, а если поверхность плохо смачивается, то капля растекаться не будет (рис. 5.5).

Гидрофильная Гидрофобная Нейтральная

Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания Θ, образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рис. 5.5, 5.6). Краевой угол (Θ) измеряется в сторону более полярной фазы, в сторону воды. Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 – углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 – твёрдое тело.

Из условия равновесия векторов (предполагая, что краевой угол Θ отвечает термодинамическому равновесию) получим

откуда получается выражение для краевого угла (Θ):

В этих уравнениях величины σ_3,2 и σ₁₃ практически неизвестны. Поэтому о соотношении поверхностных натяжений σ_3,2 и σ₁₃ (т. е. о процессах, происходящих на границе твердого тела с другими фазами) судят по углу , который служит мерой смачивания жидкостями поверхности твердого тела и, следовательно, представляет

косвенную характеристику взаимодействия твердого тела с другими фазами.

Величина , если исключить влияние силы тяжести, не зависит от размеров капли и определяется лишь молекулярными свойствами поверхности твердого тела и соприкасающихся фаз. Поэтому, исходя из теории поверхностных явлений, можно установить связь краевого угла смачивания с поверхностным натяжением между твердым телом и жидкостью. Например, поверхность должна лучше смачиваться той жидкостью, которая обладает меньшей разностью полярностей между твердым телом и жидкостью, т. е. меньшей величиной поверхностного натяжения на их разделе (рис. 5.5).

Высокополярные жидкости, т. е. жидкости с высоким поверхностным натяжением, хуже смачивают твердую поверхность, чем жидкости малополярные (т. е. обладающие меньшим поверхностным натяжением). Например, такая высокополярная жидкость, как ртуть, смачивает только некоторые металлы; вода – жидкость, менее полярная, чем ртуть, поэтому вода смачивает, кроме металлов, многие минералы и кристаллические соли; малополярные масла смачивают на границе с воздухом все известные твердые тела.

По величине угла избирательного смачивания, образующегося при контакте воды, нефти и породы, наряду с другими параметрами можно судить о качестве вод и их отмывающей и нефтевымывающей способности. Лучше отмывают нефть воды, хорошо смачивающие породу. Поэтому изучению явлений смачивания в нефтепромысловом деле уделяется очень большое внимание.

Источник

Краевой угол смачивания. Технология измерения контактного угла

Угол контакта

Угол контакта ( θ ) – это угол, который образуется между каплей жидкости и поверхностью твердой или иной фазы.

Равновесие сил, воздействующих на угол контакта (θ)

Равновесное уравнение: γ_sv = γ_sl + γ_lv cosθ

γ_lv –равновесное состояние между жидкостью и газовой фазой;

γ_sv –равновесное состояние между твердой фазой и газовой фазы;

γ_sl – равновесное состояние между твердой и жидкой фазами.

Статический угол контакта

Статический угол контакта измеряется в том случае, когда капля жидкости находится в неподвижном состоянии на твердой поверхности.

Динамический угол контакта

Динамический угол контакта измеряется в том случае, когда граница раздела фаз движется и происходит изменение статического угла контакта во времени. Динамический угол контакта бывает двух типов – наступающий и отступающий. Измерение может быть произведено двумя методами – метод изменения объема капли и метод наклона подставки.

Наступающий угол смачивания θ_a : наибольший угол контакта достигается путем увеличения межфазной поверхности при добавлении дополнительного количества жидкости.

Отступающий угол смачивания θ_r: возникает при уменьшении объема жидкой капли.

Наклонный метод: совмещает как наступающий, так и отступающий угол контакта в одной капле. Капля помещается на рабочий столик, который постепенно начинает наклоняться. Наступающий угол измеряется в нижней части капли (на картинке слева), когда она начинает двигаться. Отступающий угол контакта измеряется в верхней части капли (на картинке справа).

Методы измерения и расчета угла смачивания лежачей капли

Существует 4 метода измерения и расчета угла смачивания лежачей капли:

Полуугловой метод

Если размер капли мал, то ее можно представить как часть сферы и профиль капли в двух измерениях, т.е. в виде круга.

Этот метод подходит для капель симметричной формы и меньшего размера. Для капель большего размера и тяжести можно снизить высоту вершины.

Круговой метод

Стадии расчета угла контакта круговым методом:

Данный метод является наиболее распространенным при вычислении угла контакта.

Эллиптический метод

В эллиптическом методе применяется построение кривой профиля капли. В этом отношении данный метод похож на круговой.

Тангенциальный метод

Форма капли представляется как часть контура предполагаемой окружности. В данном методе определяется центр предполагаемой окружности, и угол контакта представляет собой угол между касательной и окружностью.

Три точки L1, L2 и L3 образуются на представляемой окружности. Левый гол контакта – угол между касательной m и базовой линией l. Правый угол контакта может быть измерен таким же образом при помощи точек R1, R2, и R3.

Измерение краевого угла

1. Подготовка образца

Образцы должны быть подготовлены заранее, и их поверхности должны быть надлежащим образом очищены непосредственно перед измерениями угла контакта. Образец следует размещать строго в горизонтальном положении. Необходимо тщательно очистить иглу шприца. Это важно потому, что жидкость, выходящая из иглы, может немного подниматься вверх по наружной поверхности иглы в ходе эксперимента. Желательно натереть кончик иглы водоотталкивающим составом.

2. Обеспечение условий влажности / уровни пара

Образец должен быть помещен в измерительную ячейку, заполненную рабочей жидкостью. Эти операции проводятся за несколько минут до измерения угла контакта. На данном этапе необходимо закрепить шприц, заполненный рабочей жидкостью, и выровнять иглу по отношению к поверхности образца.

3. Измерение статического угла контакта

После выхода жидкости из иглы должна появиться капля. Диаметр капли должен быть больше диаметра иглы в 3-4 раза. Подача жидкости должна осуществляться до того момента, пока целая капля не выйдет из иглы. Далее игла должна быть удалена. Нужно выждать 1-3 минуты для стабилизации капли, после чего можно померить статический угол контакта.

4. Измерение наступающего угла контакта

Игла должна быть перемещена назад к капле и необходимо добавлять жидкость до того момента, пока не растечется база. Далее игла снимается и измеряется наступающий угол контакта. Эта операция повторяется 3-5 раз, после чего берется среднее значение.

5. Измерение убывающего угла контакта

Игла погружается в каплю для того, чтобы начать втягивать жидкость обратно, уменьшив тем самым размер капли. Данную операцию следует проводить аккуратно, не меняя, диаметра капли. После аккуратного удаления иглы можно измерить убывающий угол контакта. Измерение следует провести 3-5 раз, усреднив в конечном итоге результат.

6. Воспроизведение результатов

Измерение угла контакта необходимо повторить либо на 3 – 5 точках одного и того же образца, либо на других таких же образцах, прошедших те же стадии очистки.

Источник

Что такое угол смачивания

Выполнила: Тюрина Анастасия.

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. 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. Для смачивающей жидкости θ — острый, для несмачивающей θ — тупой. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.

Опыты, подтверждающие существование явлений смачивания и несмачивания

Положите рядом стеариновую и стеклянную пластинки. Капните из пипетки на каждую из них по маленькой капле воды. На стеариновой пластинке получится полушарие диаметром примерно 3 миллиметра, а на стеклянной пластинке капля растечется. Теперь возьмите стеклянную пластинку и наклоните ее. Капля уже и так растеклась, а теперь она потечет дальше. Молекулы воды охотнее притягиваются к стеклу, чем друг к другу. Другая же капля будет кататься по стеарину при наклонах пластинки в разные стороны. Удержаться на стеарине вода не может, она его не смачивает, молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стеарина.

Несмачивание в природе.
Роль поверхностных явлений в природе разнообразна. Например, поверхностная плёнка воды является для многих организмов опорой при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду только конечными члениками широко расставленных лапок. Лапка, покрытая воскообразным налётом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней.

Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желёз, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключённый между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает запас плавучести, действуя подобно спасательному поясу.

Воскообразный налёт на листьях препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений. Наличием того же воскового налёта объясняется водонепроницаемость соломенной кровли, стога сена и т.д.

Заключение
Таким образом, явления смачивания и несмачивания имеют важное значение в природе, промышленной технологии, быту. Хорошее смачивание необходимо при крашении и стирке, обработке фотографических материалов, нанесении лакокрасочных покрытий, пропитке волокнистых материалов, склеивании, пайке, амальгамировании и т. д. Снизить смачивание до минимума стремятся при получении гидрофобных покрытий, гидроизоляционных материалов и др. В некоторых случаях, например при флотации и эмульгировании твёрдыми эмульгаторами, требуется сохранение краевых углов в определённом интервале значений. С. играет первостепенную роль в металлургических процессах, при диспергировании твёрдых тел в жидкой среде. Оно влияет на распространение грунтовых вод, увлажнение почв, разнообразные биологические и другие природные процессы.

Источник

Угол смачивания

Лиофильность и лиофобность (от греч. lýo — растворяю, philéo — люблю и phóbos — страх) — характеристики способности веществ или образуемых ими тел к межмолекулярному взаимодействию с жидкостями. Интенсивное взаимодействие, т. е. достаточно сильное взаимное притяжение молекул вещества (тела) и контактирующей с ним жидкости, характеризует лиофильность; слабое взаимодействие — лиофобность. В наиболее практически важном случае взаимодействия вещества с водой лиофильность и лиофобность называется гидрофильностью и гидрофобностью, а в случае масел и жиров — олеофильностью (липофильностью) и олеофобностью. Понятия «лиофильный» и «лиофобный» относят к высокомолекулярным соединениям или к поверхностям различных тел, в том числе находящихся в коллоидно-дисперсном состоянии. Эти термины используют также при описании отдельных атомных групп или участков (радикалов) одной молекулы вещества, по-разному взаимодействующих с молекулами растворителя.

Содержание

Свойства лиофильных и лиофобных веществ

Лиофильные вещества (тела) растворяются в данной жидкости, набухают в ней или хорошо смачиваются. Лиофобные вещества (тела), напротив, не растворяются и не набухают в жидкости, а также плохо смачиваются ею. Вещества или поверхности тел, проявляя лиофильность к одним жидкостям, могут быть лиофобными по отношению к другим. Так, парафин, сажа и некоторые пластмассы олеофильны, но гидрофобны.

Оценка лиофильности и лиофобности

Лиофильность и лиофобность определяют по количеству теплоты, выделившейся при растворении, набухании или смачивании. Распространён способ оценки лиофильности и лиофобности по поведению капли жидкости, нанесённой на гладкую поверхность твёрдого тела. На лиофильной поверхности капля растекается полностью, образуя тонкий слой жидкости (жидкую плёнку), тогда как на лиофобной поверхности она не растекается, сохраняя форму линзы или сплющенного шара. Количественной мерой лиофобности может служить величина угла между поверхностями капли и смачиваемого тела, т. н. краевого угла, или угла смачивания.

Изменение лиофильности и лиофобности

Лиофильность и лиофобность можно направленно изменять путём химических превращений или физико-химических воздействий. Усиление взаимодействия вещества или поверхности тела с окружающей жидкостью называется лиофилизацией, ослабление — лиофобизацией. Оба эти процесса имеют важное значение в производстве строительных и конструкционных материалов, в текстильной, целлюлозно-бумажной и др. отраслях промышленности.

Практическое значение лиофильности и лиофобности

Лиофилизация порошков, волокнистых и пористых материалов облегчает их смачивание и пропитку водой или органическими жидкостями: растворами и расплавами полимеров, смолами, нефтепродуктами и т. д. Лиофобизация тех же материалов защищает их от нежелательного смачивания, предотвращает их слёживание; лиофобизацию тканей и гладких поверхностей используют для предохранения их от загрязнений, уменьшения адгезии липких тел. В технологической практике как лиофилизацию, так и лиофобизацию поверхностей различных тел часто осуществляют специально подобранными поверхностно-активными веществами или полимерными соединениями.

См. также

Полезное

Смотреть что такое «Угол смачивания» в других словарях:

угол смачивания — краевой угол; отрасл. угол смачивания Угол между свободной поверхностью или поверхностью раздела двух несмешивающихся жидкостей и твердой стенкой … Политехнический терминологический толковый словарь

угол смачивания — sąlyčio kampas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. angle of capillarity; angle of contact; wetting angle vok. Kontaktwinkel, m; Randwinkel, m rus. краевой угол, m; угол смачивания, m pranc. angle de capilarité, m; angle de contact, m;… … Fizikos terminų žodynas

угол смачивания — vilgymo kampas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Kampas tarp skysčio lašo ir nevisiškai vilgaus kietojo kūno paviršiaus. atitikmenys: angl. angle of wetting; wetting angle rus. угол смачивания, m pranc. angle de… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

угол смачивания — vilgymo kampas statusas T sritis chemija apibrėžtis Kampas tarp skysčio lašo ir nevisiškai vilgaus kietojo kūno paviršiaus. atitikmenys: angl. angle of wetting; contact angle; wetting angle rus. угол смачивания … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

угол смачивания — [wetting angle] Смотри Краевой угол. Смотри также: Угол угол касания угол естественного откоса нейтральный угол краевой угол … Энциклопедический словарь по металлургии

угол смачивания поверхности — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN wetting angle … Справочник технического переводчика

Угол смачивания краевой — – характеризует поверхностное натяжение, способность жидкости смачивать поверхность твердого тела (растекаться) и выражается углом наклона касательной к межфазной поверхности, ограничивающим смачивающую жидкость в форме капли. [Ушеров… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

краевой угол смачивания припоем — краевой угол Двугранный угол между плоскостью, касательной к поверхности припоя у границы смачивания, и смоченной припоем плоской поверхностью паяемого материала. Примечания 1. Различают равновесный краевой угол, определенный в разновеской… … Справочник технического переводчика

Краевой угол смачивания припоем — 24. Краевой угол смачивания припоем Краевой угол D. Randwinkel E. Contact angle Двугранный угол между плоскостью, касательной к поверхности припоя у границы смачивания, и смоченной припоем плоской поверхностью паяемого материала. Примечания: 1.… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Источник

Лако-красочные материалы — производство

Технологии и оборудование для изготовления красок, ЛКМ

ЯВЛЕНИЯ СМАЧИВАНИЯ

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.

Смачивание и краевой угол. Если молекулы жидкости взаимо­действуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собою, то жидкость растекается по поверхности или, как говорят, смачи­вает ее. Растекание происходит до тех пор, пока жидкость не по-

Кроет всю поверхность твердого тела или пока слой жидкости не станет мономолекулярным. Такой случай называется полным смачиванием. Он наблюдается, например, при нанесении капли воды на поверхность чистого стекла.

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.

Между этими двумя крайними случаями в зависимости от со­отношения интенсивности молекулярных сил, действующих, с од­ной стороны, между молекулами жидкости и, с другой — между

Рис. VI, 7. Различные случаи неполного смачивания: о —9 90°.

Молекулами жидкости и твердого тела, возможны переходные слу­чаи неполного смачивания, когда капля образует с поверхностью твердого тела определенный равновесный угол, называемый крае­вым углом, или углом смачивания.

На рис. VI, 7 изображены капли, образующие на твердой по­верхности острый 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.

Ниже приведены значения краевого угла, образуемого водой на поверхности различных твердых тел в атмосфере воздуха:

Кварц Малахит Галенит Графит Тальк Сера Парафин

0° 17° 47° 55—60° 69° 78° 106°

Смачивание жидкостью твердого тела можно объяснить как результат действия сил поверхностного натяжения. Рассмотрим пример неполного смачивания, изображенный на рис. VI, 8. Оче­видно, периметр смачивания, или окружность, капли является гра­ницей взаимодействия трех сред — жидкости /, воздуха 2 и твер­дого тела 3. Эти среды имеют разграничивающие их поверхности: поверхность ЖИДКОСТЬ — воздух С поверхностным натяжением (Ті, 2, поверхность воздух — твердое тело с поверхностным натяжением 02, з и поверхность жидкость — твердое тело с поверхностным на­тяжением (Ті, з. Таким образом, на единице длины периметра сма­
чивания действуют три силы ai, 2, 02,3 и 01,3, обозначенные на рисунке соответствующими векторами и направленные перпенди­кулярно к отдельным элементам окружности и касательно к соот­ветствующей поверхности раздела. При образовании равновесного краевого угла 0 все три силы должны уравновешивать друг друга. Силы 02, з и сті, з действуют в плоскости поверхности твердого тела. Сила же ai, 2 направлена к поверхности под углом 0. Однако по­скольку точка приложения трех сил может только передвигаться

Рис. VI, 8. Зависимость между краевым углом и поверхностными натяжениями 0i,2, 02,3 и crlj3:

1 — жидкость; 2—воздух; 3—твердое тело.

ПО поверхности, НО не может ОТ нее оторваться, вместо СИЛЫ 01, 2 следует ВЗЯТЬ ее проекцию на ПЛОСКОСТЬ, Т. е. 01, 2 cos 0. Тогда усло­вие равновесия сил выразится уравнением Юнга:

02, 3 = 01, 3 + 01, 2 cosG (VI,

Решив это уравнение относительно cos 0, получим:

Помимо приведенного выше «силового» вывода, уравнение Юнга можно вывести и из термодинамических соображений. Приводим этот вывод пй Адам-» со ну.

Представим себе, что жидкость продвинулась по поверхности на весьма малое расстояние и покрыла поверхность твердого тела, равную As. Учитывая, что удельные межфазиые энергии численно равны соответствующим значениям поверхностного натяжения, изменение свободной поверхностной энергии ДF в- этом случае будет равно:

ДF = As (о,, з — о2) з) + AsOj, 2 cos (9 — Д9)

AF/As — 01, з — 02, з + 01,2 cos (9 — Д9)

При равновесии lim AF/As = О о

01, 3 — 02, 3 + 01, 2 COS 9 = О

Величину cos 6, характеризующую способность жидкости сма­чивать поверхность, принято называть смачиванием и обозначать

Через В. Очевидно, что при полном смачивании (0 = 0) В = +1» а гипотетическому случаю полного несмачивания (0 = 180°) отве­чает В — —1. Поскольку жидкость тем лучше смачивает твердое тело, чем меньше взаимодействие между ее молекулами, неполяр­ные жидкости с малым поверхйостным натяжением обычно хо­рошо смачивают поверхность. Например, углеводороды с поверх­ностным натяжением порядка 20—30 эрг/см2 практически смачи­вают все твердые тела; вода с поверхностным натяжением 72,75 эрг/см2 (при 20 °С) смачивает лишь некоторые тела, напри­мер стекло, кварц, неорганические соли; ртуть с поверхностным натяжением 475 эрг/см2 смачивает только некоторые металлы.

Смачивание является процессом, при котором в системе из трех соприка­сающихся фаз происходит уменьшение свободной энергии. В самом деле, пусть очень тонкий слой жидкости 1 растекается по поверхности твердого тела 3, ко­торое находится в среде 2, и пусть площадь, покрытая жидкостью, в результате этого увеличивается на As При этом:

1) поверхность твердого тела, соприкасающегося со средой 2, уменьшится яа As, в результате чего поверхностная энергия системы уменьшится на сгг, 8As;

2) поверхность, которой жидкость 1 соприкасается со средой 2, увеличится яа As, благодаря чему поверхностная энергия возрастает на 0i, IAs,

3) площадь межфазиой поверхности между жидкостью 1 и твердым телом 3 возрастает на As, вследствие чего поверхностная энергия системы увеличится Нй оч, SAs.

Таким образом, общее изменение свободной поверхностной энергии F при растекании жидкости будет:

ДҐ/Д5=0,,з + 0І,2-02,3 (VI, 10)

Но из уравнения (VI, следует, что яри растекании жидкости, полностью сма­чивающей поверхность (Gos6 = 1), должно соблюдаться условие

01.3 + 01,2-02,3 0, поверхность называют гидрофильной. Согласно урав­нению (VI, 9) этот случай имеет место при условии, когда 02, 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.

Если же твердое тело лучше смачивается неполярным углево­дородом, т. е. если для воды 9 > 90°, а значение В = cos 9 90 °С.

Определение краевого угла. Для измерения краевого угла, об­разуемого жидкостью на твердом теле, на его поверхность наносят небольшую каплю жидкости и с помощью пучка света, направлен­ного параллельно поверхности, проектируют боковое изображение капли на экран, затем на экране очерчивают контур капли, сидя­щей на поверхности твердого тела, и через точку, в которой со­прикасаются все три фазы, проводят касательную к контуру капли. Угол наклона этой касательной и есть краевой угол.

Для измерения краевого угла, образуемого двумя несмешиваю — щимися жидкостями на поверхности твердого тела, пластинку из исследуемого вещества погружают в стеклянную кйвету 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.

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.

Следует заметить, что определить истинное значение краевого угла часто затруднительно по следующим причинам.

1. На краевой угол могут влиять следы веществ, загрязняющих поверхность. Резкое изменение смачивания происходит уже при образовании на поверхности мономолекулярного слоя, загрязняю­щего вещества, для чего нужны ничтожные его количества. По данным некоторых исследователей, на смачивание поверхности мо­жет сказываться даже контакт этой поверхности в течение некото­рого времени с воздухом промышленных городов, всегда содержа­щим следы углеводородов.

2. Многие вещества, например металлы, хорошо окисляются и на их поверхности образуется тончайшая, трудно обнаруживаемая пленка окислов. Эта пленка также может сильно влиять на сма­чивание. Поэтому для определения краевого угла надо брать не­загрязненные и неокислившиеся поверхности.

3. Поверхности обычно хорошо адсорбируют воздух. Естествен­но, что адсорбированный воздух замедляет процесс растекания жидкости по твердому телу, так как для вытеснения воздуха с по­верхности и установления равновесного краевого угла требуется определенное время. Подобное замедление установления равновес­ного краевого угла называется гистерезисом смачивания. Во мно­гих случаях равновесное значение краевого угла из-за гистерезиса может и не достигаться вовсе.

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 на 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.

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,

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 со сто­роны жидкости, проводят так, же, как было описано выше[9].

4. На смачивание твердого тела может влиять шероховатость поверхности, причем чем больше шероховатость, тем резче про­являются свойства поверхности, обуславливающие притяжение или отталкивание воды. Подобное влияние можно объяснить тем, что при 0 90°, то жидкость но проникает в углубления, что ухудшает смачивание шероховатой поверхности. Иными словами, гидрофильной поверхности шерохо­ватость придает как бы еще большую гидрофильность, а шерохо­ватость гидрофобной поверхности делает ее еще более гидрофоб­ной. Для исключения влияния микрорельефа поверхность иссле­дуемого твердого тела должна быть возможно более гладкой.

Венцель первый указал путь, позволяющий учитывать влияние шерохова­тости поверхности на ее смачивание жидкостью. Для этого входящие в расчет­ное уравнение (уравнение Юнга) поверхностные натяжения Ог, з и с,, з следует умножить на так называемый фактор шероховатости, т. е. на отношение факти­ческой поверхности раздела к поверхности твердого тела, если бы она была гладкой [10]. В результате вместо уравнения Юнга надо написать:

5. На краевой угол могут влиять условия образования поверх­ности. Так, поверхность стеариновой кислоты, полученная охла­ждением ее расплава на воздухе, гидрофобна. Поверхность же стеариновой кислоты, полученная охлаждением ее расплава на границе со стеклом, оказывается гидрофильной. Это явление мож­но объяснить тем, что в первом случае наружу слоя кислоты (в воздух) обращены, главным образом, гидрофобные углеводо­родные радикалы стеариновой кислоты, а во втором случае, бла­годаря действию поверхности полярного стекла на расплав, на­ружу обращены полярные гидрофильные карбоксильные группы.

Вообще благодаря определенной ориентации молекул вещества в поверхностном слое можно говорить о поверхностной и объемной гидрофильности или гидрофобности вещества. В. А. Пчелиным было показано, что поверхность животного во­лоса гидрофобна, в то время как само вещество волоса гидро­фильно.

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 натяжение на границе твердое тело — жидкость и одновременно на границе жидкость — воздух. При нанесении на поверхность смачивателя краевой угол, являющийся мерой смачивания, согласно уравнению (VT, 9), уменьшается в результате снижения значений ai, 3 и а,, 2, а сма­чивание соответственно возрастает.

Обычно молекулы смачивателей дифильны, что характерно для всякого поверхностно-активного вещества, и адсорбируются на поверхности воды, ориентируясь углеводородными цепями наружу в воздух, благодаря чему на поверхности воды создается как бы пленка углеводорода. Этим и объясняется понижение поверхност­ного натяжения раствора и повышение смачивающей способности до значений, соответствующих поверхностным натяжениям орга­нических неполярных жидкостей.

Интересным свойством монослоев поверхностно-активных ве­ществ является их способность переходить из раствора на твердую поверхность и образовывать на этой поверхности полимолекуляр­ные слои. Это свойство было обнаружено еще Блоджетт на сле­дующем опыте.

В мономолекулярный плотно упакованный слой 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 поверхностно — активного 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 мономолекулярный 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 поверхностно — активного вещества, делая поочередно поверхность пластинки то гидрофобной, то гидрофильной.

Практическое значение смачивания. Смачивание имеет большое значение для успешного проведения ряда важнейших технологиче­ских процессов. Например, в текстильной технологии хорошее сма­чивание волокна или тканей является важным условием для кра­шения, беления, расшлихтовки, пропитки, стирки и т. д. Совер­шенно понятна роль смачивания для эффективного применения инсектофунгисидов, поскольку листья растений и шерстяной по­Кров животных всегда в той или иной степени гидрофобны. Боль­шое значение имеет смачивание и в типографском деле. Смачива­ние соответствующими жидкостями металлов и неметаллических тел ускоряет и облегчает иХ механическую обработку (резание, сверление, шлифовку, полировку). Бурение нефтяных скважин в Горных породах также облегчается, если применять специальные бурильные растворы, содержащие смачиватели. При лужении, спайке, сварке металлов, а также склеивании различных твердых тел необходимо прежде всего хорошее смачивание их поверхности. Наконец, на явлениях избирательного смачивания основано обо­гащение руд — флотация. Рассмотрим в качестве примера роль

Смачивания в таких процессах, как стирка, пропитка и фло­тация.

Целью стирки является удаление с поверхности твердого теуіа, обычно волокна или ткани, прилипших к ней загрязнений — шер­стяного жира, шлихты, сажи, пыли, белковых веществ и т. д. При стирке поверхность раздела волокно — загрязнение заменяется на поверхности раздела волокно — раствор моющего вещества и за­грязнение— раствор моющего вещества. Отличие процессов, ле­жащих в основе стирки, от избирательного смачивания заклю­чается только в том, что роль первой жидкости играет твердое или полутвердое загрязнение.

Рассмотрим процесс стирки на примере удаления жидкого угле­водорода (жира) с поверхности ткани с помощью обычного мыла. Задача технолога при проведении этого процесса — как можно

Рис. VI, 9. Схема отмывания углеводорода при стирке:

А—жидкость, смачивающая поверхность; б—жидкость, не смачивающаи по­верхность.

1—мыльный раствор; 2—углеводород; 3— ткаиь; 4 —гидрофильный слой мою­щего вещества.

Больше уменьшить поверхностное натяжение на границах раздела моющий раствор — загрязнение и моющий раствор — волокно. По­верхностные натяжения этих поверхностей уменьшаются в резуль­тате адсорбции мыла на поверхности жира и ткани, причем ад­сорбция происходит, конечно, таким образом, что молекулы мыла обращаются полярной частью в воду, неполярной — к загрязнению или волокну. Тогда под влиянием неизменившегося поверхностного натяжения на границе твердое тело — загрязнение жир соберется в каплю, которую легко можно удалить с поверхности волокна путем даже незначительного механического воздействия. Происхо­дит отмывание, заключающееся § резком увеличении В — cos 0 (для воды), т. е. в уменьшении краевого угла. Это наглядно пока­зано на рис. VI, 9.

При стирке моющее вещество, адсорбируясь как на поверхно­сти ткани 3, так и на поверхности загрязняющей ткань частицы углеводорода 2, образует на них гидрофильный слой мыла 4. Этот Слой способствует отделению частицы загрязнения от ткани, так как улучшение смачиваемости отмываемой поверхности водой в условиях избирательного смачивания означает понижение смачи­вания ее углеводородом. Кроме того, образовавшийся на капель­ках углеводорода слой гидратированных частично ионизированных
Молекул мыла придает устойчивость возникшей эмульсии и этим способствует удалению загрязнения вместе с моющим раствором в конце стирки.

Следует заметить, что на поверхности отбеленной гидрофиль­ной ткани, благодаря полярности целлюлозы, адсорбирующиеся молекулы мыла могут ориентироваться полярными группами к волокну и неполярными углеводородными радикалами — в мою­щий раствор. Казалось бы, в этом случае должна происходить гидрофобизация поверхности, понижающая эффект стирки. Од­нако имеются данные, что при использовании достаточно концен­трированных растворов мыла после возникновения первого слоя молекул на ткани образуется второй слой мыла, молекулы кото­рого ориентированы противоположным образом, т. е. полярной группой в моющий раствор. Таким образом, и в этом случае на­блюдается гидрофилизация поверхности ткани.

П. А. Ребиндер считает, что обязательным условием для мою­щего действия является также достаточная механическая проч­ность и вязкость гидратированных адсорбционных слоев моющего вещества. С одной стороны, такие слои на границе моющий рас­твор— воздух способствуют пенообразованию, играющему при стирке важную роль. С другой стороны, образование прочных гид­ратированных адсорбционных слоев вокруг частиц жира обеспе­чивает эмульгирование отмытых загрязнений и препятствует их вторичному оседанию на волокне [11].

Процессом, в известной степени обратным стирке, является пропитка тканей с целью повысить их водонепроницаемость при сохранении воздухопроницаемо­сти (так называемая пористая водоотталкивающая пропитка). Задача технолога при проведении этого процесса заключается в образовании на поверхности от­дельных волоконец ткани тонких пленок, на которых вода образует большой краевой угол. С этой целью ткани пропитывают растворами или дисперсиями гидрофобных, так называемых водоотталкивающих веществ. В качестве таких веществ можно использовать ацетат алюминия, мыла поливалентных металлов, парафин, асфальт, нефтяные остатки, кремнийорганические соединения и смеси этих веществ. Иногда пропитку тканей с целью повышения их водонепроницае­мости проводят в два приема. Например, ткань пропитывают сначала диспер­сией парафина, содержащей мыло в качестве эмульгатора, а затем раствором ацетата алюминия, при этом частицы парафина отлагаются на волокне в ре­зультате коагуляции.

После пропитки ткань высушивают, и при этом на волоконцах материала образуются пленки водоотталкивающих веществ. При пропитке ткани диспер­сией частицы водоотталкивающего вещества отлагаются на поверхности волоко­нец дискретно. Однако в условиях последующей сушки при повышенной темпе­ратуре гидрофобное вещество обычно плавится и растекается по волокну.

В результате пропитки поверхность капилляров ткани становится гидро­фобной, несмачиваемой водой. Продвижению воды по такому капилляру ме­шает большое поверхностное натяжение на границе вода — гидрофобизированная поверхность, которое стремится уменьшить поверхность соприкосновения между водой и стенкой капилляра и не позволяет воде течь по стенкам капилляра. Поэтому вода, проникая в устье капилляра, не смачивает его стенки, а образует выпуклый мениск, как это показано на рис. VI, 10. Искривленная поверхность
этого мениска под действием поверхностного натяжения стремится стянуться и стать плоской, при этом возникает направленное вверх давление. Это давле­ние уравновешивает давление воды, стремящейся проникнуть в капилляр. По­нятно, что чем выше поверхностное натяжение и чем уже капилляр, тем больше должно быть давление, которое может протолкнуть воду через капилляр. Следо­вательно, для получения ткани с высокой водонепроницаемостью нужно, чтобы

Гидрофобизируемая ткань была достаточно плотной и чтобы в ней не содержалось поверх­ностно-активных веществ (остатков эмульгато­ров эмульсии, которой производилась пропит­ка)*.

Рис. VI, 10. Несмачивание во­дой капилляра гидрофобизиро — ванной ткани.

На явлениях смачивания и несма­чивания, как уже указывалось, ос­нован и процесс флотации — метод обогащения полезных ископаемых, по­лучивший в настоящее время исклю­чительно широкое применение. В осно­ве этого метода лежит использование различий в смачивании разделяемых частиц водой. Чтобы уяснить себе принцип, на котором основана флотация, рассмотрим поведение достаточно малых гидрофобных и гидрофильных минеральных частиц на границе раздела вода — воздух или вода — масло.

Гидрофильные частицы смачиваются водой и под действием поверхностного натяжения на границе вода — воздух или вода — масло частица втягивается в воду. Наряду с силой поверхностного

Рис. VI, 11. Разделение гидрофильных (а) и гидрофобных (б) частиц путем флотации: 1—водная фаза; 2— воздух илн масло; 3—твердое тело.

Натяжения на частицу действует и сила тяжести. В результате частица, смачиваемая водой, целиком перейдет в водную фазу и потонет.

Гидрофобные частицы вода не смачивает, и под действием1 по­верхностного натяжения на границе вода — воздух или вода — масло частица может остаться на границе раздела, если только она не слишком велика и сила тяжести не превысит флотационную силу. Схематически эти оба случая изображены на рис. VI, 11. Понятно, что измельчая минерал до нужной дисперсности, всегда

Можно подобрать размер частиц, при котором частицы будут оста­ваться на поверхности, поскольку при дроблении сила тяжести уменьшается прямо пропорционально кубу радиуса частицы, а флотационная сила снижается прямо пропорционально первой сте­пени радиуса. Однако слишком высокая дисперсность может ока­заться вредной — мелкие частицы подвержены интенсивному броу­новскому движению, что уменьшает вероятность их закрепления на границе вода — воздух или вода — масло.

Флотационное обогащение руд полезных ископаемых основано на том, что сернистые соединения, в виде которых металлы обычно находятся в руде, обладают большей гидрофобностью, чем пустая порода, например кварц. Практически флотационное разделение руды никогда не проводят простым введением измельченной руды в воду, поверхность — которой граничит с воздухом или маслом. В таком виде флотационный процесс слишком неэффективен. В на­стоящее время широкое применение получила так называемая Пенная флотация. Она заключается в том, что в суспензию мине­рала— флотационную пульпу — тем или иным способом вводят пу­зырьки воздуха. При всплывании пузырьки собирают по своей по­верхности те частицы руды, на’ которых вода образует большой краевой угол. В результате на поверхности пульпы образуется минерализованная пена. Эту пену самотеком или с помощью спе­циальных гребков удаляют с поверхности пульпы в виде концен­трата. руды. Хорошо смачиваемые водой частицы пустой породы не прилипают к пузырькам, оседают на дно и образуют отходы флотации, так называемые «хвосты».

Оптимальный размер зереи минерала при флотации 0,15— 0,01 мм. Однако при флотации каменного угля и самородной серы частицы минерала могут быть И более крупными (0,5—1 мм). Ве­совое отношение руды к воде в пульпе обычно лежит в пределах от 1 : 4 до 1 : 2.

Рассмотрим в самых общих чертах термодинамику пеиной флотации. Для этого вычислим изменение свободной энергии системы при пениой флотации. До флотации для свободной межфазной энергии F0 системы можно написать следующее уравнение:

Fo = Oi, 2S1.2 + ffi, s«i,3 (VI, 12)

Где оч. 2 и Сті,3 — удельная поверхностная энергия (численно равная межфаз­ному натяжению) на границе водная среда — воздух и водная среда — флоти­руемое вещество соответственно; si, 2 и s 1,3 — соответствующие межфазные по­верхности. В результате флотации свободная энергия в расчете на единицу по­верхности контакта флотируемой частицы с воздухом равна:

^1 = 2 + a1.3-a2,3 (VI, 14)

Согласно уравнению (VI, ■

Oi. a — Ог, з = — a,, 2 cos 0 (VI, 15)

Подставляя это уравнение в уравнение (IV, 14), получим:

— AF==o,,2 — oi.2cose = ai,2(l — cosB) = ff,,2 (1 — В) (VI, 16)

Вероятность флотации W связана с изменением свободной энергии следующим образом:

Следовательно, вероятность флотации частиц возрастает с увеличением поверх­ностного натяжения на границе вода — воздух и с уменьшением смачивания водной фазой флотируемых частиц.

Обычно разность в гидрофобности поверхности частиц ценного минерала и пустой породы сравнительно невелика. Поэтому для повышения эффективности флотации почти всегда применяют так называемые коллекторы, или собиратели. В качестве коллекторов используют органические вещества с дифильной молекулой, спо­собные адсорбироваться на поверхности частиц ценного минерала таким образом, что полярная часть молекулы обращается к ад­сорбенту, а углеводородный радикал — наружу. В результате этого гидрофобность частиц минерала возрастает и флотационный про­цесс протекает интенсивнее. Наиболее часто в качестве коллекто­ров применяют ксантогенаты RO—(где R — углеводород­ам

Ный радикал, М — щелочной металл). Имеются данные, что ксан­тогенаты не просто адсорбируются поверхностью частиц сернистых металлов, но вступают с ними в химическое взаимодействие.

При флотации несульфидных минералов в качестве коллекто­ров обычно применяют жирные кислоты и их мыла. Ионогенные группы этих коллекторов всегда обращены к твердой фазе (Solid), поэтому эти группы принято называть солидофильными. Особенно пригодны такие коллекторы для солеобразных минералов, в со­став которых входят катионы щелочноземельных металлов Са2+, Mg2+, Sr2+. В кристаллических решетках этих минералов преобла­дает ионная связь, и их катионы активно взаимодействуют с хи­мически адсорбирующимися поверхностно-активными ионами RCOO — кислоты или мыла. На закреплении коллекторов на по­верхности

флотируемых частиц сказывается также и влияние длины углеводородного радикала, а именно, взаимодействие угле­водородных цепей друг с другом способствует образованию4 ад­сорбционной пленки и чем сильнее такое взаимодействие, тем прочнее закрепляются адсорбционные слои коллектора на поверх­ности минерала.

Для неполярных неметаллических минералов (графит, сера, тальк, ископаемый уголь), которые плохо смачиваются водой, нет необходимости в сильных коллекторах. Для них обычно исполь­зуют мало растворимые в воде коллекторы, например масла. При флотации расходуется сравнительно мало коллектора — на 1 т руды берут обычно только сотни граммов реагентов. Это указывает на то, что для улучшения флотации на поверхности минеральных частиц достаточно образования тончайшего мономолекулярного слоя, иногда даже ненасыщенного.

Помимо коллекторов при флотации применяют пенообразова­тели и регуляторы.

Пенообразователи нужны для получения достаточно (но не слишком) стой­кой минерализованной пены. Пенообразователи не должны заметно изменять смачивание флотируемых частиц, а должны адсорбироваться на границе пузы­рек воздуха — водная фаза. Этими свойствами обладают алифатические спирты, так как группа —ОН обычно слабо закрепляется на поверхности минеральных частиц и в то же время хорошо адсорбируется на границе раствор — газ, бла­годаря поверхностной активности спирта, способствуя тем самым вспениванию.

При выборе пенообразователей следует избегать веществ, сильно понижаю­щих поверхностное натяжение, так как иначе пенз окажется пустой, т. е. не содержащей ценного минерала или содержащей его в очень малом количестве.

Регуляторы применяют для регулирования избирательного действия коллек­торов. В одних случаях регулятор, действуя непосредственно на поверхность минерала, облегчает взаимодействие с ним коллектора и тем улучшает флота­цию. Такой регулятор является активатором флотации. В других случаях, наобо­рот, регулятор затрудняет взаимодействие минерала с коллектором, что по­давляет флотацию этого минерала. В этом случае регулятор можно назвать де­прессором. Примером активатора при флотации является сульфид натрия, улуч­шающий флотацию сернистых металлов с помощью ксантогенатов. В качестве депрессора может служить жидкое стекло, ухудшающее флотацию силикатных минералов.

Флотацию можно применять не только для выделения из по­лезного ископаемого какого-нибудь одного продукта, но и для разделения ряда продуктов. Такая флотация называется селектив­ной, она осуществляется обычно с помощью регуляторов. Приме­ром селективной флотации может служить флотация свинцово — цинковых руд. При этом сначала получают свинцовый концентрат, вводя для этого в пульпу депрессоры, предотвращающие флота­цию цинковых минералов, затем с помощью активаторов улучшают флотационную способность цинковых минералов и добиваются перехода их в пену, получая таким образом цинковый концентрат.

Применение флотации для обогащения полезных ископаемых непрерывно расширяется. Флотация используется для обогащения сульфидных и ряда руд цветных металлов, например свинцово — цинковых, медных, медно-цинковых, молибденовых, железных, оло­вянных и руд редких металлов. Флотация применяется для обо­гащения таких ископаемых, как сера, графит, уголь, а также руд, содержащих апатит, плавиковый шпат, барит и т. д. Значение флотации особенно возрастает вследствие того, что она позволяет использовать тонко вкрапленные в горные породы руды, запасы которых неисчерпаемы.

Источник