Адгезия, смачивание и растекание относятся к межфазным взаимодействиям, которые происходят между конденсированными фазами - жидкостями и твердыми телами.

Адгезия (прилипание)– это межмолекулярное взаимодействие между двумя приведенными в контакт разнородными фазами.

Тело, которое прилипает, называют адгезивом,а на котором происходит адгезия – субстратом. В результате адгезии образуются межмолекулярные связи, на разрыв которых затрачивается определенная работа, называемая работой адгезии W_a.

Внутрифазное взаимодействие частиц, или, иначе, − взаимодействие структурных элементов внутри однородной фазы, называют когезией .

Чтобы, например, разорвать на две части столб однородной жидкости и образовать при этом две новые поверхности площадью1 м² (рис. 1.6, а), необходимо затратить работу для преодоления силы сцепления молекул жидкости, которую называют работой когезии W_к:

.

б)

Далее получим уравнение, позволяющее рассчитать работу адгезии W_a.

Для этого используем схему (рис. 1.6, б.) Площадь поверхности двух конденсированных несоприкасающихся фаз на границе с воздухом (Г) составляет 1 м². Пусть одна из них будет жидкой, а другая – твердой.

На границе с газовой фазой эти фазы имеют межфазное натяжение σ_{ж − г} и σ_{т − г} соответственно. Приведем в контакт конденсированные фазы, в результате чего между фазами произойдет процесс адгезии. Тогда в месте контакта двух фаз возникнет межфазное натяжение σ_{т − ж}.

При этом первоначальная энергия Гиббса системы уменьшится на величину, равную работе адгезии W_a:

        ,             

отсюда

.                 (1.3.1)

Уравнение (1.3.1) называется уравнением Дюпре. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем выше поверхностные натяжения исходных фаз и чем меньше конечное межфазное натяжение.

Смачивание– процесс взаимодействия трех фаз на общей границе раздела при условии, что две фазы конденсированные и хотя бы одна из них жидкая, а третья фаза представляет собой среду взаимодействия этих фаз (чаще всего третья фаза газообразная).

Рассмотрим состояние капли жидкости на поверхности твердого тела при условии равновесия (рис. 1.7, а,б).

В точке контакта трех фаз показаны направления действия сил межфазных натяжений σ_{т– г} и σ_{ж − т} и, как результат действия этих сил, поверхностного натяжения σ_{ж − г}.

Угол θ, который можно определить, если провести касательную к межфазной поверхности в точке контакта трех фаз, называется краевым углом , или углом смачивания.

Поскольку поверхностное натяжение рассматривают как силу, действующую на единицу длины, то все составляющие выражают при помощи векторов сил. При этом допускается, что капля жидкости настолько мала, что действием силы тяжести можно пренебречь, и поверхность твердого тела является идеально гладкой, то есть шероховатость поверхности отсутствует.

Для состояния равновесия получим:

σ_т-г = σ_т-ж+ σ_ж-г с os θ.

Отсюда

.                                  (1.3.2)

Выражение (1.3.2) называется законом Юнга.

Чем меньше угол θ, тем лучше смачивается поверхность.

При условии с os θ. > 0 (θ < 90°) поверхность твердого тела смачивается жидкостью (лиофильна), и наоборот, при с os θ < 0 (θ > 90°) она не смачивается (лиофобна).

Таким образом, границей между смачиваемостью и несмачиваемостью (инверсией смачивания)является угол 90° (с os θ = 0). Угол смачивания связан с работой адгезии.

.                         (1.3.3)

Выражение (1.3.3) - это уравнение Дюпре–Юнга . Оно часто используется при расчете работы адгезии, поскольку входящие в него величины легко определяются экспериментально. Из уравнения (1.3.3) следует, что, изменяя поверхностное натяжение σ_ж-г, можно изменить и работу адгезии.

Приведем значения углов смачивания и с os θ для некоторых гидрофильных и гидрофобных веществ (жидкость − вода) (табл.1).

Т а б л и ц а 1

Стекло, мрамор, кварц, целлюлоза, крахмал − гидрофильные вещества. Уголь, сера, парафин, полиэтилен, фторопласт − гидрофобные вещества. Загрязнения поверхности твердого тела, так же, как и незначительные примеси в жидкости, очень сильно влияют на величину краевого угла. Добавление к воде ПАВ приводит к изменению не только величины, но и знака с os θ, то есть может превратить гидрофобную поверхность в гидрофильную, и наоборот. Это явление называется инверсией смачивания, или обращением угла смачивания. Инверсия смачивания происходит вследствие дифильной природы молекул ПАВ и их ориентированной адсорбции на поверхности раздела фаз.

Зависимость  с os θ от концентрации ПАВ в растворе при постоянной температуре называется изотермой смачивания.

Все указанные закономерности, связанные с процессом смачивания, выполняются только на идеально гладких твердых поверхностях. Всякие шероховатости приводят к отклонению краевых углов от равновесных значений. Это явление называется гистерезисом смачивания.

Растекание жидкости по поверхности происходит тогда, когда работа адгезии превышает работу когезии растекающейся жидкости. Это определяется коэффициентом растекания ( f ) по Гаркинсу:

     (1.3.4)

При положительном значении коэффициента растекания,  жидкость растекается по поверхности, при отрицательном – не растекается.

Подведем итог. В зависимости от значений угла θ различают случаи несмачивания, ограниченного смачивания и растекания (полного смачивания), которым соответствуют определенные соотношения между удельными величинами поверхностных энергий W_а и W_к:

1) Несмачивание: краевой угол 180 >θ> 90⁰ (cosθ< 0). Термодинамическое условие несмачивания: W_а<W_к/2.

2) Ограниченное смачивание: краевой угол 0 < θ< 90⁰ (cosθ> 0). Термодинамическое условие смачивания: W_к/2 <W_а<W_к.

3) Полное смачивание (растекание): равновесный краевой угол не устанавливается, и капля растекается в тонкую пленку. Термодинамическое условие растекания: σ_ТГ>σ_ТЖ + σ_ЖГ. В этом случае W_а>W_к.