Unghi de contact

Unghiul de umectare , de asemenea unghiul de umectare , unghiul de contact ( ing. Unghiul de contact ) - unghiul care se formează între tangenta trasă la suprafața fazei lichid-gaz și o suprafață solidă cu un vârf situat în punctul de contact al celor trei faze, și măsurat condiționat întotdeauna în interiorul fazei lichide [1] . Este notat cu litera greacă theta - θ.

Unghiul de umectare este o caracteristică cantitativă a procesului de umectare , valoarea sa determină interacțiunea intermoleculară (atomică, ionică) a particulelor de pe suprafața solidelor cu lichidele.

Descriere fizică

Se crede că, dacă valoarea unghiului de contact este mai mică de θ<90°, atunci lichidul udă suprafața solidă, iar suprafața însăși se numește liofilă (dacă lichidul este apă - hidrofil ), dacă valoarea contactului unghiul este mai mare de θ>90°, atunci suprafața solidă nu este umezită de lichid și este liofobă (în cazul apei, hidrofobă ). Cu umezire completă sau absolută ( împrăștiere ), unghiul de contact este zero, cu neumezire completă sau absolută - 180 °, această din urmă valoare nefiind observată în natură. Unghiul de contact de echilibru se calculează conform legii lui Young :

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

unde , , respectiv , sunt energiile de suprafață la interfețele solid-gaz, lichid-solid și lichid-gaz [2] . $\sigma_{23}$ $\sigma _{13}$ $\sigma_{12}$

Valoarea cosinusului unghiului de contact determină dacă o suprafață solidă este umezită de un lichid sau nu. Valorile cosinusului unghiului de contact sunt date în tabel:

valoarea cosθ	valoarea θ	Descriere
unu	0°	La o valoare dată a cosinusului, lichidul se răspândește complet pe suprafața unui corp solid, astfel de suprafețe sunt numite superhidrofile.
1/2	60°	Lichidul pe suprafața unui solid formează picături în formă de menisc. Zona de contact a lichidului cu suprafața este redusă. Astfel de suprafețe se numesc hidrofile.
0	90°	Lichidul capătă o formă semicirculară, zona de contact cu suprafața este și mai mică.
-unu	180°	Lichidul de pe suprafața unui solid formează picături sferice, totuși, o astfel de valoare a unghiului de contact nu este observată în natură.

Valoarea unghiului de contact depinde de munca de aderenta si coeziune . Unghiul de contact este legat de munca de aderență prin ecuația Dupre-Young :

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

unde σ 12 este tensiunea superficială la interfața dintre două faze (lichid-gaz), cosθ este cosinusul unghiului de umectare, Wa este munca reversibilă de aderență. Această ecuație poate fi reprezentată în următoarea formă:

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

Dacă ecuația este împărțită la 2, atunci putem obține dependența muncii forțelor de aderență și coeziune de valoarea unghiului de umectare:

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

Lucrarea de aderență - Wa are ca scop împrăștierea unui lichid pe suprafața unui corp solid, prin întindere. În același timp, munca forțelor de coeziune - Wk este opusă muncii de aderență și contribuie la contracția lichidului într-o formă de picătură, prevenind răspândirea. Rezultă din aceasta că cu cât valorile lui Wa și Wc sunt mai mari, cu atât suprafața solidă va fi umezită mai puternică de lichid (în consecință, valoarea lui θ<90°) și invers. Cu alte cuvinte, pentru a îmbunătăți umezirea unei suprafețe solide de către un lichid, este necesar să se mărească munca de aderență și să se reducă munca de coeziune.

Histerezis de umectare

Histerezis de umectare se numește histerezis , rezultat din diferite valori ale unghiurilor de umectare la punctele de contact ale fazelor care interacționează (așa-numitele unghiuri de avans și retragere). Cu alte cuvinte, histerezisul de umectare este întârzierea stabilirii unghiului de echilibru. Diferența unghiurilor de contact se datorează faptului că unghiul din punctul de contact al suprafeței lichide cu suprafața uscată a solidului are o valoare mai mare decât atunci când vine în contact cu suprafața aceluiași corp, pre- umezit.

Există două tipuri de histerezis:

cinetică
static.

Tipul cinetic de histerezis de umectare apare atunci când unghiurile de umectare se mișcă (se schimbă) - diferența dintre unghiurile de avansare (întotdeauna mai mare decât unghiul de echilibru) și de retragere (întotdeauna mai mici decât unghiul de echilibru).

Tipul statistic se datorează unei scăderi a perimetrului de umectare. Se calculează ca diferență dintre unghiul de echilibru și unghiul calculat.

Metode de măsurare

Există mai multe metode de măsurare a unghiului de contact.

Una dintre cele mai comune este metoda picăturii sesile. Esența metodei constă în faptul că o picătură de apă este aplicată pe o suprafață solidă plană orizontală, fotografiată, iar unghiul de contact este determinat din profilul picăturii. Cu toate acestea, unghiurile statice astfel obținute nu sunt, strict vorbind, unghiuri de retragere θ față de sau de avansare θ ale apei. Uneori, unghiul static al picăturii sesile se numește unghi de echilibru.

O metodă de picătură sesilă modificată este metoda de picătură presată. Folosind această metodă, puteți obține direct unghiurile de intrare și de ieșire. Cu toate acestea, aceste unghiuri depind de forța de apăsare a picăturii.

Superhidrofobicitate

Superhidrofobicitatea sau superhidrofobicitatea este fenomenul de interacțiune foarte slabă a particulelor de suprafață de solide cu lichide, în special, cu apa. Valorile unghiului de contact sunt mai mari de 150°. Datorită forțelor de interacțiune slabe (valori Wa << Wk) cu acest tip de suprafață și a valorii ridicate a tensiunii superficiale, picătura de apă ia o formă sferică, reducând astfel zona de contact cu suprafața superhidrofobă. În natură, fenomenul de superhidrofobic este cunoscut sub numele de efect de lotus .

Note

↑ A. Schwartz, J. Perry. Surfactanți. - M . : Literatură străină, 1953. - S. 250. - 550 p.
↑ Nachinkin O.I. Microfiltre polimerice. - M .: Chimie, 1985. - S. 65. - 216 p.