Химия

Содержание раздела

Замечательные явления на границе между телами

Капли на поверхности. Смачивание. Форма жидких тел

Если каплю жидкости поместить на гладкую сухую поверхность, например на стеклянную пластинку, то она либо полностью растечется, покрыв пластинку пленкой, либо останется на месте. В первом случае произойдет полное смачивание: силы сцепления жидкости с твердым телом на их общей границе, т, е. силы прилипания, превысят сцепление молекул самой жидкости; во втором — силы прилипания окажутся меньше сил сцепления молекул жидкости и капля не растечется, полного смачивания не будет. Капля останется на пластинке, образуя с ней краевой угол; чем он больше, тем хуже смачивание. Если краевой угол тупой, как, например, у ртути на стекле или у воды на парафине, капля свободно бегает по пластинке, не оставляя на ней следа. Поверхность, образующую тупой краевой угол с каплей воды, называют гидрофобной (в переводе с греческого — «ненавидящая воду») или водоотталкивающей. Строго говоря, это неправильно, так, как сама вода не отталкивается, а притягивается к любым поверхностям, но силы прилипания к гидрофобным поверхностям так малы, что не могут преодолеть силы сцепления между молекулами воды в капле (рис. 1).

Рис. 1. В аквариуме плавает гусь. Гидрофобная оболочка перьев не смачивается, и вода не проникает в оперение, образуется воздушная подушка, на которой птица плавает, лишь немного погрузившись в воду. Добавим в аквариум активного смачивателя, совершенно безвредного для птицы. Гусь почувствовал себя необычно — его оперение намокает, он отяжелел, он тонет!

Чем больше поверхностное натяжение жидкости на границе с ее паром, тем хуже она смачивает твердую поверхность. Углеводородные жидкости — нефть и минеральные масла (сигма=20—30) смачивают все сухие твердые поверхности, вода (сигма=73) не смачивает жирные (гидрофобные) поверхности, а ртуть (а = 480) не смачивает все обычные поверхности.

Чем сильнее молекулярное взаимодействие жидкости с каким-либо телом, чем она сильнее прилипает к нему, тем лучше она его и смачивает. Оттого-то ртуть и другие жидкие (расплавленные) металлы прекрасно смачивают металл, очищенный от окисла, но не смачивают ни стекло, ни поверхность твердых металлов, покрытую на воздухе окисленной пленкой. Этим свойством широко пользуются при паянии и лужении; перед тем как сварить или спаять металлы, их очищают от окислов. В отличие от гидрофобных гидрофильные поверхности (в переводе с греческого — «любящие воду») хорошо смачиваются водой. С поверхностями кварца и силикатных стекол вода вступает даже в химическое соединение, образуя слои гидрата двуокиси кремния — кремниевой кислоты.

Сами по себе, или, как говорят, самопроизвольно, происходят те процессы, при которых уменьшается свободная энергия. Именно поэтому самопроизвольно, под действием молекулярных сил, капля жидкости принимает форму шара: площадь ее поверхности становится наименьшей при постоянном объеме. Это легко заметить, наблюдая за маленькими каплями воды на несмачиваемой поверхности парафина или за каплями ртути на стекле. У крупных капель форма шара искажается силой тяжести, но, если большую каплю масла поместить в не смешивающуюся с ним жидкость равной плотности, например в смесь воды со спиртом, она, по закону Архимеда, станет невесомой, и тогда капля примет форму шара (рис. 2). Это и есть собственная форма жидких тел; она легко возникает, но так же легко искажается под действием внешних сил.

Рис. 2. Если большую каплю масла поместить в не смешивающуюся с ним жидкость равной плотности, например смесь воды со спиртом, то, по закону Архимеда, капля масла станет невесомой. Такая капля принимает форму шара. Отдельные капельки масла сливаются в одну большую.

Соприкасаясь, капельки сливаются в одну большую каплю, что тоже вызвано уменьшением свободной поверхностной энергии — уменьшением площади поверхности при постоянстве объема. Число молекул-пограничников при этом всегда уменьшается; они возвращаются в объем жидкости.

Может ли сталь плавать на воде!