Краевой угол смачивания

Краевой угол смачивания или угол контакта θ_с. γ_SL, γ_LG, γ_SG обозначены соответственно как удельные свободные поверхностные энергии на границе раздела фаз: твёрдое тело-жидкость (SL), жидкость-газ (LG) и твёрдое тело-газ (SG).

Краевой угол смачивания, также угол смачивания, угол контакта (англ. Contact angle) — угол, который образуется между касательной, проведённой к поверхности фазы жидкость-газ и твёрдой поверхностью с вершиной, располагающейся в точке контакта трёх фаз, и условно измеряемый всегда внутрь жидкой фазы. Обозначается греческой буквой тета — θ.

Краевой угол смачивания является количественной характеристикой процесса смачивания, его величина определяет межмолекулярное (атомное, ионное) взаимодействие частиц поверхности твёрдых тел с жидкостями.

Физическое описание

Наглядный пример смачивания жидкостью твёрдой поверхности. А — краевой угол много больше 90° и, как следствие плохое смачивание (капля имеет почти шарообразную форму и слабое взаимодействие с твёрдой поверхностью — происходит уменьшение площади контакта жидкости с ней), В и С — краевой угол меньше 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 максимальна. Процесс растекания жидкости является предельным случаем смачивания.

Считается, что если величина краевого угла меньше θ < 90°, то происходит смачивание жидкостью твёрдой поверхности, а сама поверхность называется лиофильной (в случае, если жидкостью является вода — гидрофильной), в случае, если величина краевого угла больше θ > 90°, то твёрдая поверхность плохо смачивается жидкостью и является лиофобной (в случае воды — гидрофобной). При полном или абсолютном смачивании (растекании) краевой угол равен нулю, при полном или абсолютном несмачивании — 180°, последнее значение не наблюдается в природе. Равновесный краевой угол вычисляется по закону Юнга:

${\cos \theta ={\frac {\sigma _{23}-\sigma _{13}}{\sigma _{12}}}}$,

где $\sigma _{23}$, $\sigma _{13}$, $\sigma _{12}$ соответственно поверхностные энергии на границе раздела фаз твёрдое тело-газ, жидкость-твёрдое тело и жидкость-газ.

Величина косинуса краевого угла определяет смачивается ли твёрдая поверхность жидкостью или нет. Значения косинусов контактного угла приведена в таблице:

Значение cosθ	Значение θ	Описание
1	0°	При данном значении косинуса, жидкость полностью растекается по поверхности твёрдого тела, такие поверхности называются сверхгидрофильными.
1/2	60°	Жидкость на поверхности твёрдого тела образует менискообразные капли. Площадь контакта жидкости с поверхностью уменьшается. Такие поверхности называют гидрофильными
0	90°	Жидкость приобретает полукруглую форму, площадь контакта с поверхностью ещё меньше.
-1	180°	Жидкость на поверхности твёрдого тела образует сферические капли, однако, такое значение контактного угла в природе не наблюдается.

На фотографии отчётливо видно, что ртуть плохо смачивает стекло (Θ > 90°), вследствие слабого взаимодействия с ним (работа сил адгезии меньше работы когезии) и принимает каплеобразную форму (снижается площадь контакта).

Величина краевого угла зависит от работы адгезии и когезии. С работой адгезии контактный угол связан уравнением Дюпре-Юнга:

${Wa=\sigma _{12}(1+\cos {\theta })}$,

где σ₁₂ — поверхностное натяжение на границе раздела двух фаз (жидкость-газ), cosθ — косинус краевого угла смачивания, Wa — обратимая работа адгезии. Это уравнение можно представить в следующем виде:

${{\frac {Wa}{\sigma _{12}}}=1+\cos {\theta }}$.

Если уравнение разделить на 2, то можно получить зависимость работы сил адгезии и когезии от величины угла смачивания:

${\frac {Wa}{Wk}}={\frac {1+\cos {\theta }}{2}}$.

На диаграмме представлены направления действия сил когезии молекул жидкости (образование мениска).

Работа адгезии — Wa направлена на растекание жидкости по поверхности твёрдого тела, посредством растяжения. В то же время, работа когезионных сил — Wk противоположна работе адгезии и способствует стягиванию жидкости в каплеобразную форму, предотвращая растекание. Из этого следует, что чем выше значения Wa, и чем ниже Wk, тем сильнее твёрдая поверхность будет смачиваться жидкостью (как следствие, величина θ < 90°) и наоборот. Иными словами для того, чтобы усилить смачивание твёрдой поверхности жидкостью, необходимо увеличить работу адгезии и снизить работу когезии.

Гистерезис смачивания

Гистерезисом смачивания называют гистерезис, возникающий в результате различных значений углов смачивания в точках соприкосновения взаимодействующих фаз (т. н. углы натекания и оттекания). Иными словами гистерезис смачивания это задержка в установлении равновесного угла. Разница краевых углов обусловлена тем, что угол в точке соприкосновения поверхности жидкости с сухой поверхностью твёрдого тела имеет значение величины большую, чем при соприкосновении с поверхностью того же тела, предварительно смоченной.

Существует два типа гистерезиса:

• кинетический
• статический.

Кинетический тип гистерезиса смачивания возникает при перемещении (изменении) значений углов смачивания — разность углов натекания (всегда больше равновесного угла) и оттекания (всегда меньше равновесного угла).

Статистический тип обусловлен снижением периметра смачивания. Рассчитывается как разность между равновесным углом и углом, вычисленным.

Методы измерения

Существует несколько методов измерения краевого угла смачивания.

Измерение краевого угла смачивания по методу сидячей капли, производится с помощью специального гониометра.

Одним из наиболее распространённых является метод сидячей капли. Сущность метода заключается в том, что каплю воды наносят на ровную горизонтальную твёрдую поверхность, фотографируют и по профилю капли определяют краевой угол. Однако полученные таким образом статические углы не являются, строго говоря, углами оттекания θ_от или натекания θ_нт воды. Иногда статический угол сидячей капли называют равновесным.

Видоизменённый метод сидячей капли — метод прижатой капли. Используя данный метод можно получить непосредственно углы натекания и оттекания. Однако эти углы зависят от силы прижатия капли.

Супергидрофобность

Супергидрофобностью или сверхгидрофобностью называется явление очень слабого взаимодействия частиц поверхности твёрдых тел с жидкостями, в частности, с водой. Значения контактного угла составляет больше 150°. Вследствие слабых сил взаимодействия (значения Wa << Wк) с таким родом поверхности и высокому значению поверхностного натяжения, капля воды принимает сферическую форму, тем самым, уменьшая площадь контакта с супергидрофобной поверхностью. В природе явление супергидрофобности известно как эффект лотоса.