В результате адгезионного взаимодействия происходит явление - смачивание

Смачивание – процесс самопроизвольного образования межатомных связей при снижении межфазной поверхностной энергии; смачивание характеризуется поверхностными свойствами фаз, которые взаимодействуют при пайке – поверхностным натяжением и свободной поверхностной энергией.

Процесс смачивания термодинамически выгоден, так как приводит к уменьшению поверхностной энергии системы (поверхностного натяжения).

Поверхностное натяжение – сила, которая действует по касательной к поверхности жидкости или твердого тела и стремится сократить свободную поверхность жидкости до минимальных размеров, поэтому капля жидкости имеет форму, приближенную к сферической. Величина силы поверхностного натяжения – мера неравновесности системы, причем не только в системе газ ‑ жидкость, но и в системе жидкость – жидкость. Чем меньше поверхностное натяжение, тем более существенным для системы является взаимодействие молекул, которые находятся на границе раздела фаз.

Рассмотрим равновесие капли жидкости на твердой поверхности (рис.11).

жг

жт

q жидк.

газ

	тг
		Твердое тело

Рис.11. Схема равновесия капли жидкости на поверхности твердого тела.

Нескомпенсированность молекулярного взаимодействия, стремление молекул поверхностного слоя втягиваться внутрь жидкости и вызванное этим поверхностное натяжение жидкости на границе с другой жидкостью или газом ( _гг и _жг) стремятся сократить поверхность жидкости до минимальных размеров. Условие равновесия капли жидкости на твердой поверхности записывается уравнением Юнга:

жг cos q = тг ‑ жт
тг = жт + жг cos
cos q =	тг ‑ жт
жг

где q ‑ краевой угол смачивания.

Силы поверхностного натяжения, а именно: , γ _тж,s _жг ‑ действуют по периметру контакта капли с твердым телом: поверхностное натяжение _жг ‑ стремится уменьшить поверхность капли; поверхностное натяжение γ _тр ‑ стремится уменьшить площадь контакта жидкости и воспрепятствовать растеканию капли.

В этом уравнении обозначения γ _тр показывает, что это поверхностное натяжение на границе раздела разнородных конденсированных фаз. Для поверхностного натяжения и можно определить только средние значения, так как поверхность твердого тела энергетически неоднородна, а молекулы твердых тел не имеют такой подвижности, которая существует в жидкости. С ростом площади контакта увеличивается смачивание жидкостью твердого тела.

Таким образом, адгезия и смачивание ‑ две стороны одного и того же явления, которое возникает при взаимодействии жидкости с твердым телом. Адгезия обусловливает связь между твердым телом и контактирующей с ним жидкостью. Смачивание ‑ результат этой связи.

Существуют два типа поверхностей по способности смачиваться ‑ гидрофильные поверхности и гидрофобные поверхности. Гидрофильность или гидрофобность поверхностей может быть охарактеризована величиной краевого угла смачивания. Гидрофильность означает родственность, которая заключается в интенсивном взаимодействии между собою молекул жидкости и твердого тела. На гидрофильных поверхностях жидкость под действием поверхностного натяжения твердого тела _тг превращается в пленку. Краевой угол смачивания на гидрофильных поверхностях равняется нулю.

Чем меньше значение _жг, тем больше растекание капли по твердой поверхности. Для гидрофильных поверхностей, используя уравнение Юнга, можно записать, что только при высоком значении cos q проходит растекания капли, то есть при . Для гидрофобных поверхностей наоборот, .

Уравнение Юнга является фундаментальным уравнением, которое связывает важные термодинамические величины ‑ поверхностное натяжение фаз, которые контактируют, и краевой угол смачивания. Краевой угол смачивания q есть мера смачивания, он определяется величиной угла между поверхностью твердого тела и касательной в точке контакта с жидкостью и определяется всегда в сторону жидкой фазы.

Твердое тело можно считать полностью смоченным, если угол контакта равняется нулю, и совсем не смоченным, если q равняется 180^о. Между величинами краевого угла от 0 до 180 имеет место градация смачивания.

Значение краевого угла зависит от свойств контактирующих фаз, эти свойства могут изменяться в зависимости от условий взаимодействия фаз. Поэтому значение краевого угла смачивания q является необходимым, но не достаточным показателем адгезии жидкости и смачивания, и для характеристики адгезионного взаимодействия используют произведение _жг на cos q, которые называют энергией смачивания:

Адгезию или когезию можно оценить с помощью работы, необходимой для разъединения контактирующих между собою разнородных (W_а) и однородных (W_к) тел. Работа адгезии жидкости на границе с твердой фазой - это разница между ( _жг + _тг) и γ _жТ:

Это уравнение можно объяснить так: работа адгезии определяется той работой, которую необходимо затратить для отрыва жидкости от твердой поверхности. При контакте жидкости с твердой поверхностью удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) равняется γ_жт, а после разъединения становится ( _жг + _тг). Различие между этими величинами есть работа адгезии (рис.12).

Рис.12. К определению работы адгезии и когезии.