Смачиваемость металлов водой таблица

Обновлено: 07.01.2025

Посуда, изготовленная из стекла, хорошо смачивается водой, по этой причине наблюдается всползание высокодисперсных осадков по стенкам сосуда. Такое же явление наблюдается и с насыщенными растворами солей. Для предотвращения этого явления стенки сосудов покрываются тонким слоем гидрофобизирующего вещества, например трихлорсилана. Гидрофобизацию поверхностей стаканов, бюреток, пипеток широко применяют в ультрамикроанализе. Гидрофобными свойствами обладают и изделия из фторопласта-4 и других полимеров [13].

Для демонстрации свойств гидрофобной и гидрофильной поверхностей можно использовать свойства ориентированного слоя молекул стеариновой кислоты. При затвердевании на поверхности воды стеариновая кислота образует мономолекулярный ориентированный слой. Полярные группы стеариновой кислоты обращены к воде, а углеводородные остатки — внутрь стеаринового слоя, что приводит к изменению смачиваемости поверхности [14]. Изменение смачиваемости удобно наблюдать, используя воду, подкрашенную метиловым фиолетовым или другим красителем.

Метиленовый фиолетовый, 0,1%-ный раствор.

Выполнение опыта. В стакан емкостью 0,5 л поместить 400 мл воды и кусочек стеариновой кислоты. На лекции нагреть стакан. При этом стеариновая кислота плавится. Охладить стакан. Осторожно снять образовавшийся твердый слой и положить на стол на лист фильтровальной бумаги, просушить. Разделить слой на два куска. Один кусок положить ориентированным слоем вверх (т. е. вверх стороной, которая была обращена к воде), другой кусок — ориентированным слоем вниз. Нанести по капле метилового фиолетового на оба куска.

На Поверхности с ориентированным слоем капля растекается, в то время как на поверхности другого куска капля не растекается.

Примечание. В большой аудитории демонстрацию опыта (т. е. нанесение капель) рекомендуется провести, используя эпидиаскоп.

5.2.3. Смачивание увлажненных и погруженных в воду поверхностей

Процесс смачивания в системе жидкость 1, жидкость 2, твердое тело 3 описывается уравнением:

s1,3 — s1,2,3 ³ s2 × cos q1,2 — s3 × cos q1,3 — s2,3 × cos q1,2,3, (5.9)

т. е. для смачивания жидкостью 1 (лаком или краской) твердого тела необходимо, чтобы ее поверхностное натяжение было меньше, чем у жидкости 2. На практике чаще всего жидкостью 2 является вода (s = 72,7 мДж/м2). Возможны два варианта:

1) вода в ограниченном количестве контактирует с поверхностью (окрашивание влажных и мокрых поверхностей);

2) имеется неограниченное количество воды (окрашивание объектов и сооружений под водой).

В первом варианте окрашивание возможно путем связывания воды или избирательного смачивания поверхности на границе двух антиполярных жидкостей, во втором — путем вытеснения одной жидкости другой. Например, для нанесения на влажные поверхности применяют водоразбавляемые лакокрасочные материалы (вододисперсионные, цементные, силикатные, клеевые и другие краски). В этом случае присутствующая на окрашиваемой поверхности вода входит в состав лакокрасочного материала как растворитель и испаряется или связывается с компонентами краски при формировании покрытия.

Краски, содержащие гидрофобные пленкообразователи, смачивают влажные поверхности лишь тогда, когда разность полярностей краски и поверхности меньше, чем разность полярностей воды и поверхности. Это выполняется в тех случаях, когда при окрашивании предусматривается гидрофобизация твердой поверхности, осуществляемая либо предварительной обработкой мокрой поверхности раствором гидрофобизатора, либо введением гидрофобизирующих веществ в состав лакокрасочных материалов.

Гидрофобизаторы — катионоактивные ПАВ: хлориды стеариламидометилпиридиния, алкилбензилдиметиламмония, алифатических аминов и др. Их содержание в красках составляет 0,1-0,5%.

Окрашивание возможно и с помощью связывания воды компонентами краски или ее эмульгирования. Для чего в состав красок вводят соответственно в первом случае — водопоглощающие вещества (цемент, неблокированные или частично блокированные изоцианаты, отверждаемые водой полиуретаны), и во втором — ионогенные ПАВ (олеат триэтаноламина, мыла жирных кислот и др.)

Смачивание поверхности под водой — наиболее сложный случай поверхностного взаимодействия. Большинство красок, хорошо смачивающих поверхности на воздухе, не наносятся под слоем воды. Для них краевой угол смачивания в воде металлов, стекол, керамики превышает 90°.

Способность краски вытеснять воду и смачивать гидрофильные поверхности во многом определяется энергией взаимодействия пленкообразователя или других составных компонентов краски с водой. Водовытеснение происходит лишь в том случае, если эта энергия будет соизмерима с энергией взаимодействия молекул воды (краска при этом не должна растворяться в воде).

Применяя в качестве пленкообразователей или модификаторов красок соединения, способные образовывать водородные связи с водой (полиуретаны, полиамиды, ненасыщенные полиэфиры, некоторые амины и др.), можно получить значения краевого угла q £30°, при этом краски приобретают способность наноситься под водой.

Схема взаимодействия жидкого пленкообразователя (полиамида) с твердой поверхностью (металл) в воде представлена ниже:

Согласно схеме, формирование жидкой пленки происходит с участием мономолекулярного слоя воды, который прочно связан как с подложкой, так и с полярными группами пленкообразователя.

С повышением температуры смачивание улучшается; наилучшее вытеснение воды с поверхности достигается при оптимальной вязкости пленкообразователя (порядка 0,3 Па×с).

Следует отметить, что соленость воды не оказывает существенного влияния на нанесение красок. Краски для подводного нанесения должна обладать плотностью, превышающей плотность воды, и быть способными отверждаться в водной среде. Наиболее применимы для нанесения под водой краски на основе олигомерных пленкообразователей, не содержащие растворителей.

Для нанесения по влажным поверхностям применяют эпоксидную (ЭПК-16) и эпоксидно-лаковую (ЭПК-20 и ЭПК-33) краски с модификатором алкилбензилдиметиламмоний хлоридом. Они применяются для защиты нефтепромысловых и портовых сооружений и других объектов. Для окрашивания мокрых бетонных и оштукатуренных поверхностей используют виниловые (ХС-068, ХС-510, ХС-710) лакокрасочные материалы с модификатором ДГУ (5-10%) и эпоксидные составы (ЭП-525; ЭП-0010) с отвердителем-модификатором И-6М и ускорителем отверждения УП-606/2, а также поливинилацетатную грунтовку Э-ВА-0151.

Окрашивать объекты и сооружения под водой (суда, опоры мостов, сваи нефтяных вышек, шлюзы и др.) можно эмалью Б-ЭП-5188. Ее наносят специальным аппаратом (принцип выдавливания) на предварительно очищенную поверхность; отверждается эмаль под водой быстрее, чем на воздухе (18 ч против 24 ч). Для грунтования и заделки дефектов поверхности используют специально разработанные для подводного склеивания клеи «Стык» и «Спрут-МП».

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СМАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Как указывалось выше, для получения качественного соеди­нения металлов при сварке плавлением и при наплавке без рас­плавления основного металла необходимо обеспечить смачивание поверхности твердого металла жидким по всей площади их сопри­косновения. Это относится к металлам как с близкими, так и с сильно отличающимися теплофизическими свойствами.

Смачивание поверхности твердого металла жидким зависит от целого ряда причин, основными из которых являются:

1) способность соединяемых металлов давать сплавы, т. е. наличие сродства одного металла к другому;

2) величина поверхностного натяжения жидкого металла; т

3) температура нагрева поверх — т г т*

ности твердого металла и темпера — Рис — 20 • Система сил поверхност — r г ного натяжения на межфазной гра-

тура перегрева жидкого металла; нице ПрИ отсутствии проплавления

4) Наличие на металлической основного металла

поверхности пленки окислов и др.

Для осуществления смачивания необходимо затратить энергию. В общем случае эта энергия представляет собой [1] убыль свободной поверхностной энергии системы на границах раздела между твердым телом и газом, жидкостью и газом, твердым телом и жидкостью. Речь идет именно о трехфазной системе, так как наличие третьей (газовой) фазы, всегда присутствующей при взаимодействии жидкой и твердой фаз, оказывает значительное влияние на взаимодействие жидкой и твердой фаз.

При плазменной наплавке металлов этими фазами являются: поверхность твердого основного металла, жидкий наплавляемый металл и защитный газ. Равновесие в рассматриваемой системе определяется силами поверхностного натяжения на границах твердая фаза — жидкая фаза от. ж, твердая фаза — газ стг. г, жидкая фаза — газ аж, г (рис. 20). Следует отметить, что равно­весие в системе может рассматриваться лишь в том случае, если капля жидкого металла не перемещается по поверхности твердого металла и не растекается по ней. Следовательно, в данном случае рассматривается равновесное или статическое смачивание, харак­теризующееся неизменностью линейной границы смачивания.

Условие равновесия капли жидкого металла на поверхности твердого металла выражается [1, 50] уравнением Дюпре:

°Г. г — °т. ж — аж. г COS 0 = 0. (13)

Угол 0 называют краевым углом смачивания. Из (13) следует:

1) если ат. г = ат%ж, то cos 0 = 0 и 0 — 90°;

£ 12) если 0т. е > ат. ж, то cos 0 > 0 и 0 90е.

Если процесс наплавки сопровождается расплавлением основ­ного металла (как, например, при плазменной наплавке нержа­веющих сталей на малоуглеродистые), то условие равновесия капли жидкого металла на поверхности твердого металла может быть выражено несколько измененным выражением [111]:

ат — г = аж. г COS 0Х + От. ж COS 02. (14)

где 0г — угол, аналогичный 0 на рис. 20; ‘

02 — угол между поверхностью основного металла и каса­тельной к кривой, очерчивающей зону проплавления.

Но учитывая, что глубина проплавления основного металла незначительная, а очертания ванны достаточно плавные и угол мал, т. е. cos 02 —> 1, то и для этого случая можно без больших погрешностей применять уравнение (13). А для точных расчетов можно измерять величину углов 0Х и 02.

Следует также отметить, что при наплавке мы имеем дело с кинетическим смачиванием, которое характеризуется непре­рывным образованием новых поверхностей раздела. Но для про­стоты рассмотрения, смачивание при наплавке в первом прибли­жении может рассматриваться как статическое смачивание на плоской поверхности.

По [47] физический смысл краевого угла смачивания заклю­чается в том, что он является результатом относительной силы притяжения жидкости к твердому телу и к самой себе. Если между жидкостью и твердым телом нет химического взаимодействия, то 0 = 180°, и капля жидкости не смачивает тело.

При увеличении силы молекулярного притяжения между жид­костью и твердым телом краевой угол смачивания уменьшается, обращаясь в 0 тогда, когда сила сцепления между жидкостью и твердым телом становится равной силе сцепления между двумя плоскостями самой жидкости.

Величина cos 0 является мерой смачивания. Ее можно опреде­лить из (13)

Определение смачиваемости поверхностей (волокон и пористых материалов)

Автор: Dr. Christopher Rulison (Augustine Scientific)

Смачиваемость волокон измеряется на основе определения краевого угла смачивания одиночного волокна или связки нитей согласно теории Вашбурна. На практике данный метод реализован в процессорных тензиометрах K100 фирмы KRUSS.

Для определения смачиваемости различных поверхностей обычно рассчитывают краевой угол по методу лежащей капли. Этим методом легко пользоваться, особенно если поверхность однородная, плоская, без пор. Сформировать каплю на поверхности нити или пористого материала довольно сложно, кроме того, она будет проникать в поры, следовательно, профиль капли будет недостоверным или искаженным. Несмотря на то, что приборы краевого угла DSA100 фирмы KRUSS позволяют дозировать микрокаплю на волос (см. фото), для изучения смачивающих свойств волокон, порошков и пористых материалов тензиометр K100 был оснащен специальными держателями.

Расчет по методу Вашбурна

Согласно теории Вашбурна при соприкосновении волокна или пористого материала с жидкостью последняя будет подниматься за счет капиллярных сил. Капиллярные силы будут подчиняться уравнению:


где t — время соприкосновения, m — масса жидкости, поднявшейся по поверхности или впитавшейся в нее, А — постоянная величина, зависящая от свойств жидкости и поверхности.

При проведении исследований используют жидкость с известной плотностью, вязкостью и поверхностным натяжением. Массу поднявшейся жидкости и время можно измерить. Следовательно, в уравнении Вашбурна останется две неизвестных величины: краевой угол смачивания и константа поверхности.

Если заведомо знать, что краевой угол смачивания поверхности определенной жидкостью равен нулю θ = 0° (cosθ = 1) , то можно найти константу поверхности (с). Обычно для определения постоянной поверхности используют н-гексан, т.к. при комнатной температуре он имеет низкое поверхностное натяжение (18,4 мН/м). После определения константы материала второй образец можно тестировать на смачиваемость нужной жидкостью.

Пример исследования

Для сравнения были выбраны три волокнистых материала: обычное оптоволокно, материал наподобие льна, использующийся для сохранности стекла при транспортировке (адсорбент), и сигаретный фильтр; результаты исследований приведены в таблице ниже.

В данном опыте исследовались не отдельные волокна, а пачки (пучки) нитей. Плотность упаковки влияет на результат. Интересно отметить, что адсорбент и сигаретный фильтр имеют схожие константы. Кроме того, упаковка этих материалов в специальный держатель была похожей, в обоих случаях было использовано 2,5 г. Для упаковки оптоволокна понадобилось 3,0 г на каждый опыт, стекло имеет относительно более высокую плотность; константа этого материала отличается.


Краевой угол смачивания материалов водой не стал неожиданностью. Минимальный угол (наилучшее смачивание) наблюдалось у льняного материала, который используют в качестве адсорбента. Оптоволокно по смачиваемости оказалось на втором месте, что также не явилось неожиданность, т.к. стекло имеет высокую поверхностную энергию. Наихудшие смачивающие свойства показал сигаретный фильтр.

Волокнистый материал Опыт Константа материала
(на основе н-гексана)		 Краевой угол
(на основе дистиллированной воды)
Оптоволокно 1
2		 1,172·10 -2 см 5
1,161·10 -2 см 5		 54,8°
54,7°
Адсорбент 1
2		 1,634·10 -2 см 5
1,655·10 -2 см 5		 44,8°
44,3°
Сигаретный фильтр 1
2		 1,623·10 -2 см 5
1,632·10 -2 см 5		 65,0°
—

На сегодняшний день метод Вашбурна является почти единственной возможностью оценить смачиваемость поверхностей таких, как: пористые материалы, порошки и волокна. Константа материала, зависящая от плотности упаковки волокон/крупинок, может слегка отличаться от образца к образцу, но в пределах сохранения общих свойств материала.

Полимерная промышленность бурно развивается и позволяет производить материалы с заданными свойствами в зависимости от той области, где планируется использовать новый композит. Взаимодействие материала с разными жидкостями также определяет дальнейшую его судьбу. Порой для получения необходимого эффекта необходимо слегка изменить композиционный состав материала (см. статью «Оптимизация свойств покрытий»).

Таким образом, поверхностная химия — важный инструмент в области производства материалов с заданными свойствами.

2) величина поверхностного натяжения жидкого металла; т ~є

£ 12) если 0т. е > ат. ж, то cos 0 > 0 и 0 < 90°;

COS0 = ат. г — аТ, ж (15)

Из уравнения (15) следует, что поверхность твердого тела тем лучше смачивается жидкостью, чем меньше поверхностное натяжение этой жидкости (ож, е). Однако это справедливо лишь в том случае, если краевой угол смачивания меньше 90°. Если же краевой угол смачивания превышает 90°, то должно наблюдаться обратное явление [1]: с уменьшением поверхностного натяжения жидкости смачивание еще более ухудшается. Некоторые значения поверхностных натяжений твердых и жидких металлов приведены в табл. 5 и 6.

Поверхностное натяжение твердых металлов в контакте с газом ат

Темпе­ратура в °С

1,090± 0,220 (1090+220)

Однако способность твердого тела смачиваться жидкостью не может однозначно определяться поверхностным натяжением жидкости, а зависит также от поверхностной энергии твердого тела ат, Р и поверхностного натяжения на межфазной границе твердое тело — жидкость ат, ж. С повышением поверхностной энергии твердого тела ат_ г смачиваемость твердого тела жид­костью согласно (15) должна улучшаться.

Хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных наблюдается для ряда металлов при использовании формулы

С. Н. Задумкина [32].

где а — коэффициент, равный 7,87-10s эрг/см’1′,

D — плотность металла в г/см3;

Хорошие результаты цолучены и при использовании уравне­ния JI. Л. Кунина [50], устанавливающего количественную связь между работой выхода электрона и поверхностным натя­жением

а = 444,5 ———- 110 эрг/см2, (17)

где яр — работа выхода электронов в эв

R — радиус атома в А-

Следует отметить, что величина ат, г в значительной степени за­висит от наличия на поверхности металла окислов. Поверхностное

Поверхностное натяжение жидких металлов при температуре плавления аж. г в дж/м2 (эрг/см2) [30]

натяжение окислов меньше, чем поверхностное натяжение чи­стого металла. Поэтому металлы, покрытые пленкой окислов, как правило, смачиваются значительно хуже чистых металлов. Для обеспечения хорошего смачивания поверхности твердого основного металла жидким перед наплавкой необходимо очистить поверхность металла от слоя окислов.

Но не всегда с повышением ат_г смачиваемость поверхности твердого тела жидким улучшается, так как с изменением ат, г изменяется и аТшЖ. Согласно [1], явления смачивания опреде — "ляются величинами поверхностных энергий на всех трех границах раздела, но решающая роль принадлежит величине ат. ж. Всегда с уменьшением ат. ж смачивание улучшается. Непосредственно

Температура в °С

1,405 (1405) 1,770 (1770) 2,300 (2300) 1,943 (1943) 1,860 (1860)

0,970 (970) 0,790 (790) 0,682 (682) 0,882 (882)

0,836 (836) 1,615(1615) 1,730 (1730)

0,836 (836) 0,715 (715) 1,370 (1370) 0,640 (640) 0,430 (430)

0,470 (470) 0,540 (540) 0,280 (280)

0,200 (200) 0,180 (180) 0,140 (140)

Поверхностное натяжение между твердой и жидкой фазами ат. ж в дж1мг (эрг! см2) [31]

измерить значение от. ж практически очень трудно. Но значение ат-ж можно Определить, имея данные по ат, г и ож, г и определив экс­периментально значение 0. Тогда из (15)

°Т. Ж = °т. г — °ж. г COS 0. (18)

Поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение аж, г, и краевой угол смачивания припоев при пайке стали [51]

Значение величины от. ж, представляющей значение удельной свободной поверхностной энергии на границе твердое тело—жид­кость, необходимо для ана­лиза и оценки явлений взаимодействия, протека­ющих на межфазной гра­нице. Значения оТ’ ж неко­торых металлов приведены в табл. 7.

Не всегда наплавляе­мый жидкий металл хо­рошо смачивает поверх­ность твердого основного металла, что объясняется сравнительно высокими значениями поверхностной энергии на межфазной гра­нице от. ж. Понизить зна­чение стт. ж можно введе­нием в наплавляемый ме­талл небольших добавок поверхностно-активных ве­ществ. Последние умень­шают поверхностное натя­жение жидкого металла и значительно облегчают адсорбцию жидкого рас­плава на поверхности твердого металла. Так, на­пример, жидкое серебро не смачивает железо. Небольшие добавки меди к жидкому серебру обеспечивают [111] удовлетворительное смачивание им поверх­ности железа. Такое же действие оказывает и добавка к жидкому серебру палладия. Так, по расчетным данным [111], замена 10% атомов серебра, находящихся на поверхности раздела фаз, ато­мами палладия уменьшает поверхностное натяжение ат. ж системы железо—серебро на 30%. Прием этот, позволяющий улучшать смачиваемость поверхности твердого металла жидким, широко применяется в процессах пайки. Некоторые поверхностно-актив­ные вещества, вводимые в припои для улучшения смачивания ими поверхности паяемого металла, приведены в табл. 8.

Поверхностное натяжение металлов с изменением темпера­туры меняется. Так, поверхностное натяжение серого чугуна, определенное в вакууме (10“[1] мм рт. ст.), составило [50] при тем­пературе 1300° С 1020 эрг! см2, при 1350° С 1070 эрг! см2 и при 1400° С 1130 эрг/см2; поверхностное натяжение стали Х15Н25 составило [50] при температуре 1500° С 1380 эрг/см2, при 1560° С 1400 эрг/см2; меди соответственно 1103 эрг/см2 при 1131° С, 1115 эрг/см2 при 1150° С, 1154 эрг/см2 при 1200° С и 1166 эрг! см2 при 1215° С. Следует отметить, что во многих работах отмечалось, что у меди с повышением температуры поверхностное натяжение увеличивалось. Как показали более поздние работы, проведенные на чистой меди, температурный ход ее поверхностного натяжения хорошо аппроксимируется линейным уравнением в интервале 1100—1500° С с отрицательным температурным коэффициентом по­верхностного натяжения, равным —0,18 эрг/см2-°С [62]. При тем­пературе 1100° С поверхностное натяжение чистой меди состав­ляет 1350 эрг/см2 [62], а при температуре 1500° С 1283— 1290 эрг! см2 [65]. Такое различие в данных по поверхностному натяжению объясняется различной степенью чистоты исследуе­мого металла. Примеси в металле иногда оказывают весьма суще­ственное влияние на изменение его поверхностного натяжения. По данным [100] поверхностное натяжение железа при темпера­туре 1560° С с изменением в нем концентрации углерода от 0,12 до 1,0 % вес. изменяется от 1710 до %ЪЪэрг! см2, а при дальнейшем увеличении содержания углерода поверхностное натяжение прак­тически не меняется (при 4,6 % Со = 1650 эрг! см2) с изменением концентрации кремния от 0,20 до 5,10% вес. поверхностное натяжение железа уменьшается с 1710 до 1615 эрг! см2 с изменением концентрации марганца от следов его в железе до 11,82% вес. поверхностное натяжение уменьшается от 1710 до 1305 эрг! см2′, с увеличением содержания кислорода от 0,0042 до 0,076 % вес. поверхностное натяжение железа уменьшается от 1710 до 1235 эрг/см2; увеличение концентрации никеля в железе приводит к повышению его поверхностного натяжения от 1710 эрг! см2 при наличии следов никеля до 1790 эрг/см2 при 19,8 % вес. никеля. Повышение содержания меди в медно-никелевых сплавах от 0 до 100% ат. приводит к понижению поверхностного натяжения от 1735 до 1265 эрг/см2 [93]. Поверхностное натяжение сплавов из технического железа (0,09% С; 0,09% Мп, 0,026% S, 0,025% Р; 0,014% О; следы Si) с увеличением содержания углерода от 0,09 до 3,15% уменьшается с 1350 до 1170 эрг/см2 [99]. На поверхност­ное натяжение меди очень сильно влияет добавка серы: при 0,83% S поверхностное натяжение меди изменяется от 557 + 7 до 1269 ± 20 дин! см [4]. Аналогично влияют на медь добавки кислорода, серебра, золота, кадмия, алюминия, олова, свинца, сурьмы [33]. Влияние примесей на изменение поверхностного на­тяжения металлов и сплавов объясняется их адсорбцией на
границе раздела. А повышение концентрации примесей в поверх­ностном слое и приводит к понижению поверхностного натяжения металла или сплава.

Таким образом, имея возможность регулировать свойства твер­дого и жидкого металлов путем введения в них в небольших коли­чествах активных добавок, а также изменяя температуру и дли­тельность контактирования твердой и жидкой фаз, можно регули­ровать степень смачивания твердого металла жидким.

Смачиваемость материалов водой таблица

Смачивание — Wetting


Смачивание — это способность жидкости поддерживать контакт с твердой поверхностью в результате межмолекулярных взаимодействий, когда они соединяются. Степень смачивания (смачиваемость) определяется балансом сил между адгезионными и когезионными силами .

Смачивание имеет важное значение в связи или присоединения двух материалов. Смачивание и поверхностные силы, контролирующие смачивание, также ответственны за другие связанные эффекты, включая капиллярные эффекты.

Есть два типа смачивания: безреактивное смачивание и реактивное смачивание.

Смачивание имеет дело с тремя фазами вещества: газом, жидкостью и твердым телом. В настоящее время он находится в центре внимания нанотехнологий и нанонаучных исследований из-за появления многих наноматериалов за последние два десятилетия (например, графена , углеродных нанотрубок , наномеша из нитрида бора ).

СОДЕРЖАНИЕ

Объяснение

Сила сцепления между жидкостью и твердым телом заставляет каплю жидкости растекаться по поверхности. Силы сцепления внутри жидкости заставляют каплю скатываться и избегать контакта с поверхностью.

Угол смачивания менее 90 ° (низкий угол смачивания) обычно указывает на то, что смачивание поверхности очень благоприятно, и жидкость будет распространяться по большой площади поверхности. Углы смачивания, превышающие 90 ° (высокий угол смачивания), обычно означают, что смачивание поверхности неблагоприятно, поэтому жидкость минимизирует контакт с поверхностью и образует компактную каплю жидкости.

Для воды смачиваемая поверхность также может быть названа гидрофильной, а несмачиваемая поверхность — гидрофобной . Супергидрофобные поверхности имеют краевые углы более 150 °, при этом контакт между каплей жидкости и поверхностью практически отсутствует. Иногда это называют « эффектом лотоса ». В таблице описаны различные углы смачивания и соответствующие им взаимодействия твердое тело / жидкость и жидкость / жидкость. Для неводных жидкостей термин «лиофильный» используется для условий с низким углом смачивания, а термин «лиофобный» используется для обозначения более высоких углов смачивания. Точно так же термины омнифобный и омнифильный применимы как к полярным, так и к неполярным жидкостям.

Поверхности с высокой и низкой энергией

Жидкости могут взаимодействовать с двумя основными типами твердых поверхностей. Традиционно, твердые поверхности были разделены на высоко- энергии и низкой энергии твердых тел. Относительная энергия твердого тела связана с объемной природой самого твердого тела. Твердые тела, такие как металлы, стекло и керамика , известны как «твердые твердые тела», потому что химические связи , удерживающие их вместе (например, ковалентные, ионные или металлические), очень сильны. Таким образом, для разрушения этих твердых тел требуется большое количество энергии (в качестве альтернативы, требуется большое количество энергии, чтобы разрезать основную массу и образовать две отдельные поверхности), поэтому их называют «высокоэнергетическими». Большинство молекулярных жидкостей полностью смачиваются высокоэнергетическими поверхностями.

Другой тип твердого вещества — это слабые молекулярные кристаллы (например, фторуглероды, углеводороды и т. Д.), В которых молекулы удерживаются вместе в основном за счет физических сил (например, сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей). Поскольку эти твердые тела удерживаются вместе слабыми силами, для их разрушения требуется очень небольшое количество энергии, поэтому их называют «низкоэнергетическими». В зависимости от типа выбранной жидкости низкоэнергетические поверхности могут допускать полное или частичное смачивание.

Сообщалось о динамических поверхностях, которые претерпевают изменения в поверхностной энергии при приложении соответствующих стимулов. Например, было показано, что поверхность, представляющая управляемые фотонами молекулярные двигатели, претерпевает изменения краевого угла смачивания воды при переключении между бистабильными конформациями с различной поверхностной энергией.

Смачивание низкоэнергетических поверхностей

Поверхности с низкой энергией в основном взаимодействуют с жидкостями посредством диспергирующих ( ван-дер-ваальсовых ) сил. Уильям Зисман сделал несколько ключевых выводов:

Зисман заметил, что cos θ линейно увеличивается с уменьшением поверхностного натяжения (γ LV ) жидкости. Таким образом, ему удалось установить линейную функцию между cos θ и поверхностным натяжением (γ LV ) для различных органических жидкостей.

Поверхность более смачиваема, когда γ LV и θ низкие. Зисман назвал пересечение этих линий, когда cos θ = 1, критическим поверхностным натяжением (γ c ) этой поверхности. Это критическое поверхностное натяжение является важным параметром, поскольку оно характерно только для твердого тела.

Зная критическое поверхностное натяжение твердого тела, можно предсказать смачиваемость поверхности. Смачиваемость поверхности определяется внешними химическими группами твердого тела. Различия в смачиваемости между схожими по структуре поверхностями обусловлены различиями в упаковке атомов. Например, если поверхность имеет разветвленные цепи, она будет иметь более плохую упаковку, чем поверхность с прямыми цепями. Более низкое критическое поверхностное натяжение означает менее смачиваемую поверхность материала.

Идеальные твердые поверхности

Идеальная поверхность является плоской, жесткой, идеально гладкой, химически однородным, и имеет нулевой угол контакта гистерезис . Нулевой гистерезис означает, что углы смачивания и удаления равны. Другими словами, существует только один термодинамически стабильный краевой угол смачивания. Когда капля жидкости помещается на такую ​​поверхность, характерный угол смачивания образуется, как показано на рисунке 1. Кроме того, на идеальной поверхности капля возвращается к своей исходной форме, если ее потревожить. Следующие выводы применимы только к идеальным твердым поверхностям; они действительны только для состояния, в котором границы раздела фаз неподвижны, а линия границы раздела фаз находится в состоянии равновесия.

Выполнила: Тюрина Анастасия.

Цель: узнать о явлениях смачивания и несмачивания, разобраться в причинах возникновения данных явлений.
Задачи:
— раскрыть основные понятия;
-выявить причины явлений смачивания и несмачивания;
-рассмотреть опыты, подтверждающие существование данных явлений;
-рассказать о существовании данных явлений в природе .

Смачивание и несмачивание (теория)
Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:
1)молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя ртуть на стекле, вода на парафине или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность;
2)молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность.
Несмачивание — физическое явление отсутствия смачивания жидкостью поверхности материала.
Смачивание — физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости.
Смачивание бывает двух видов
-Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью )
-Контактное (состоит из 3х фаз — твердая, жидкая, газообразная)


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.

Как вода смачивает металлы

Жидкий металл: подводные камни. Взгляд глазами химика


Написать эту статью меня сподвиг пост NotSlow Не так страшен жидкий металл. Там все просто: подстраховался от замыкания, нанес тонким слоем, прикрутил и радуйся низким температурам. Но так ли все хорошо на самом деле?

Для начала нужно выяснить, что это за жидкий металл такой. Среди чистых металлов единственный, который может быть жидким при комнатной температуре — это ртуть. В здравом уме никто сейчас не станет применять ртуть в качестве термоинтерфейса из-за ее крайней токсичности и испаряемости. Два других становятся жидкими уже при температуре человеческого тела — это цезий и галлий. Цезий — это «фтор наоборот» по своей химической активности, он возгорается и взрывается от малейших следов воздуха и влаги и даже разрушает стекло. Остается галлий (на КПДВ именно он). При комнатной температуре галлий все же твердый, однако с некоторыми другими легкоплавкими металлами он образует эвтектики, плавящиеся при 20,5°С (галлий-олово) и даже 15,3 °С (галлий-индий). Еще ниже — в районе 5 °С — плавится тройная эвтектика галлий-индий-олово (62, 25 и 13% соответственно). Имеющиеся в продаже термоинтерфейсы типа «жидкий металл» — это как раз и есть сплавы на основе этих трех элементов, возможно с некоторыми дополнительными присадками.

Исходя из этого, ясны и подводные камни. Первый из них — это абсолютная несовместимость галлийсодержащих сплавов с алюминием!

Во времена, когда уроки химии в школе непременно сопровождались демонстрацией опытов, был среди них и опыт по амальгамированию алюминия. Алюминий покрывали слоем ртути и он тотчас начинал бурно окисляться, рассыпаясь прямо на глазах. Ртуть защищала алюминий от образования оксидного слоя и он образовывался уже на поверхности амальгамы, но не был способен остановить окисление, так как на поверхности жидкости он не удерживался сплошным слоем, растрескивался, и в трещинах открывалась свежая, неокисленная поверхность амальгамы.

Ровно так же действует и галлиевый сплав с той только разницей, что он способен буквально пропитывать алюминий насквозь, проникая в межкристаллитные промежутки. Алюминий, пропитанный жидким галлием, не только окисляется на глазах, но еще и крошится в руках.
Так что ЖМ следует держать от алюминия подальше. И это касается не только алюминиевых радиаторов: случайная капелька «жидкого металла» может уничтожить и корпус ноутбука, если тот из алюминиевого сплава, и любую другую алюминиевую деталь. Хотя бы корпус какого-нибудь конденсатора. Причем капелька эта является классическим катализатором — делает свое черное дело, не расходуясь сама.


Но и медь к галлию небезразлична. На рисунке выше я привел T-x диаграмму системы медь-галлий (из справочника «Диаграммы состояния двойных металлических систем» под ред. Лякишева), на которой видно бесчисленное множество интерметаллических соединений. Как только галлий вступит в контакт с медью, они тут же начинают образовываться. Жидкий галлий (к его сплавам это тоже относится) вообще очень охотно смачивает и металлы, и неметаллы, а явное химическое сродство этому крайне способствует. Так что «жидкий металл» будет просто впитываться в медь, образуя на границе между металлами корку интерметаллидов. Последние не являются металлами с физической точки зрения, они тугоплавки, хрупки и обладают плохой тепло- и электропроводностью, но главное — «жидкий металл» будет расходоваться на их образование и просто уйдет из зазора. Многие из тех, кто пробовал в деле ЖМ, сообщают, что со временем он перестает работать, и сняв радиатор, они обнаружили, что жидкий металл «испарился». Испариться он не мог — заметное давление пара у его компонентов появляется только свыше тысячи градусов — он просто впитался в медь, прореагировал с ней. Устранить это явление помогает никелевое покрытие на меди, хоть оно и является дополнительным препятствием для тепла.

Кстати, впитываемость галлия и его сплавов в металлы еще касается паяных соединений — помните про ту маленькую капельку, которая может разрушить алюминиевый корпус? Так вот, такая же капелька, попавшая на припой, сделает и его хрупкой, а пайку ненадежной. В какой-то момент это «сработает». Поэтому лично я бы держал «жидкий металл» как можно дальше от любой электроники.

И последнее, о чем следовало бы написать: «жидкий металл», увы, небезвреден. Галлий по некоторым данным сравним по токсичности с мышьяком, второй его компонент, индий — также является токсичным тяжелым металлом. В отличие от ртути сплавы на основе галлия все же абсолютно нелетучи при обычной температуре, так что отравиться их парами не получится, однако из-за своей способности легко прилипать ко всему на свете эти сплавы невероятно мазучие. Испачкать ими, к примеру, руки — легче легкого, а отмыть их до конца очень сложно. Потом это все попадет в рот. Поэтому — работаем с «жидким металлом» и всем, что с ним контактировало только в резиновых перчатках и отдельно от еды, питья и курения. И да, никогда не делайте так, как на КПДВ!

Сма́чивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Смачивание бывает двух видов:

  • Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)
  • Контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами ) смачиваемого тела ( адгезия ) и силами взаимного сцепления молекул жидкости ( когезия ).

Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:

  1. молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя ртуть на стекле, вода на парафине или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность;
  2. молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность.

Если опустить стеклянную палочку в ртуть и затем вынуть ее, то ртути на ней не окажется. Если же эту палочку опустить в воду, то после вытаскивания на ее конце останется капля воды. Этот опыт показывает, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стек­ ла, а молекулы воды притягива­ ются друг к другу слабее, чем к молекулам стекла.

Если молекулы жидкости при­ тягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют сма чивающей это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притя­гиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество. Ртуть не смачивает стекло, однако она смачивает чистые медь и цинк.

Расположим горизонтально плоскую пластинку из какого-либо твердого вещества и капнем на нее исследуемую жидкость. Тогда капля расположится либо так, как показано на рис.5(а), либо так, как показано на рис. 5(б).

В первом случае жидкость сма чивает твердое вещество, а во втором — нет. Отмеченный на рис.5 угол θ называют краевым углом. Краевой угол образуется плоской поверхностью твердого тела и плоскостью, касательной к свободной поверхности жидкости , где граничат твердое тело, жидкость и газ; внутри крае­ вого угла всегда находится жидкость. Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для не смачивающих — тупой. Чтобы дей­ ствие силы тяжести не искажало краевой угол, каплю надо брать как можно меньше.

Поскольку краевой угол θ сохраняется при вертикальном поло­жении твердой поверхности, то смачивающая жидкость у краев сосуда, в который она налита, при­поднимается , а не смачивающая жидкость опускается

Какие металлы реагируют с водой?

Прежде всего следует запомнить, что металлы делят в целом на три группы:

1) Активные металлы: к таким металлам относятся все щелочные металлы, щелочноземельные металлы, а также магний и алюминий.

2) Металлы средней активности: к таковым относят металлы, расположенные между алюминием и водородом в ряду активности.

3) Малоактивные металлы: металлы, расположенные в ряду активности правее водорода.

В первую очередь нужно запомнить, что малоактивные металлы (т.е. те, что расположены после водорода) с водой не реагируют ни при каких условиях.

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой при любых условиях (даже при обычной температуре и на холоде), при этом реакция сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла. Например:

Магний из-за того, что покрыт защитной оксидной пленкой, реагирует с водой только при кипячении. При нагревании в воде оксидная пленка, состоящая из MgO, разрушается и находящийся под ней магний начинает реагировать с водой. При этом реакция также сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла, который, однако, в случае магния нерастворим:

Алюминий так же, как и магний, покрыт защитной оксидной пленкой, однако в этом случае кипячением ее разрушить нельзя. Для ее снятия требуются либо механическая чистка (каким-либо абразивом), либо ее химическое разрушение щелочью, растворами солей ртути или солей аммония:

Металлы средней активности реагируют с водой лишь тогда, когда она находится в состоянии перегретого водяного пара. Сам металл при этом должен быть нагрет до температуры красного каления (около 600-800 о С). В отличие от активных металлов, металлы средней активности при реакции с водой вместо гидроксидов образуют оксиды металлов. Продуктом восстановления и в этом случае является водород:

Fe + H2O = FeO + H2 (в зависимости от степени нагрева)

Читайте также: