Реферат на тему «Несмачивание: причины и примеры»

Введение

Если капнуть водой на чистое стекло, капля растечётся тонким пятном, а на листе капусты или настурции та же вода соберётся в блестящий шарик и скатится, не оставив следа. Ртуть, пролитая на стол, распадается на множество круглых капель, которые катаются по поверхности и не прилипают к ней. Перья утки после ныряния остаются сухими, о чём напоминает поговорка «как с гуся вода». Во всех этих случаях мы наблюдаем одно и то же явление, которое в физике называют несмачиванием.

Смачивание и несмачивание изучают в школьном курсе физики вместе с поверхностным натяжением и капиллярными явлениями. На первый взгляд это частный вопрос о том, как ведёт себя капля на разных поверхностях, однако от него зависят многие процессы в природе и технике. Несмачивание помогает растениям оставаться чистыми, водомерке бегать по воде, а инженерам обогащать руду методом флотации и создавать водоотталкивающие ткани и покрытия для стекла.

Цель реферата — объяснить причины несмачивания и показать его примеры в природе, быту и технике. В первой главе рассматриваются молекулярные причины смачивания и несмачивания, краевой угол и капиллярные явления, во второй главе разобраны примеры несмачивания в живой природе и его использование в технике. Основой служат школьные учебники физики, «Элементарный учебник физики» под редакцией Г. С. Ландсберга и научно-популярная книга Я. Е. Гегузина «Капля».

Глава 1. Физика смачивания и несмачивания

1.1 Взаимодействие молекул жидкости и твёрдого тела

Молекулы любой жидкости притягиваются друг к другу. Внутри жидкости каждая молекула окружена соседями со всех сторон, и силы притяжения уравновешиваются, а у молекул на поверхности соседей снаружи нет, поэтому их втягивает внутрь. Из-за этого поверхность жидкости ведёт себя как натянутая плёнка, и это свойство называют поверхностным натяжением. Капля, на которую не действуют другие силы, стремится принять форму шара, потому что у шара наименьшая площадь поверхности при данном объёме.

Когда жидкость соприкасается с твёрдым телом, её молекулы начинают притягиваться и к молекулам этого тела. Исход зависит от того, какое притяжение сильнее. Если молекулы жидкости притягиваются к твёрдому телу сильнее, чем друг к другу, жидкость стремится увеличить площадь соприкосновения и растекается по поверхности, это смачивание. Если же притяжение между молекулами самой жидкости сильнее, капля старается как можно меньше касаться поверхности и собирается в шарик, это несмачивание.

Отсюда следует, что смачивание и несмачивание описывают не свойство одной жидкости или одного твёрдого тела, а свойство их пары. Вода смачивает чистое стекло, но не смачивает парафин и жирную поверхность. Ртуть не смачивает стекло, но хорошо смачивает чистую медь и цинк. Поэтому, говоря о несмачивании, всегда нужно уточнять, какая жидкость и на какой поверхности рассматривается.

С этим связан привычный опыт мытья посуды. Вода плохо смачивает тарелку, покрытую слоем жира, собирается на ней каплями и не смывает загрязнение. Моющее средство содержит поверхностно-активные вещества, молекулы которых одним концом притягиваются к жиру, а другим к воде. Они уменьшают поверхностное натяжение воды и улучшают смачивание, поэтому раствор растекается по тарелке и отделяет жир от её поверхности. Так несмачивание, мешающее в быту, удаётся превратить в смачивание.

1.2 Краевой угол

Чтобы сравнивать смачивание количественно, физики используют краевой угол. Это угол между поверхностью твёрдого тела и касательной к поверхности капли в точке, где край капли касается тела, измеренный внутри жидкости. Если краевой угол меньше 90 градусов, жидкость смачивает поверхность, и чем угол меньше, тем сильнее смачивание. Если угол больше 90 градусов, говорят о несмачивании, а предельный случай, когда угол приближается к 180 градусам, соответствует полному несмачиванию. Основные признаки двух явлений сопоставлены в таблице 1.

Таблица 1 — Признаки смачивания и несмачивания

Значения краевого угла для некоторых знакомых пар жидкость — поверхность показаны на рисунке 1. Числа в справочниках немного различаются, потому что угол сильно зависит от чистоты и шероховатости поверхности, однако общая картина видна хорошо.

По рисунку видно, что из перечисленных пар только вода на чистом стекле даёт заметное смачивание, а все остальные примеры лежат выше границы в 90 градусов. Полиэтилен находится почти на самой границе, парафин и тефлон отталкивают воду уже заметно, а ртуть на стекле и вода на листе лотоса дают углы около 140 и 160 градусов. Поверхности с краевым углом больше 150 градусов называют супергидрофобными, и капля на них почти не касается опоры.

Лист лотоса оказался рекордсменом не из-за химического состава, а благодаря строению. Немецкий ботаник Вильгельм Бартлотт в 1990-х годах исследовал листья под электронным микроскопом и обнаружил, что их поверхность покрыта мельчайшими бугорками, а сами бугорки покрыты кристалликами воска. Капля опирается только на вершины бугорков, между которыми остаётся воздух, и поэтому скатывается, захватывая с собой пыль. Это явление получило название «эффект лотоса».

Похожее строение помогает водомерке бегать по поверхности пруда. Её длинные лапки покрыты множеством тончайших волосков, на которых держатся пузырьки воздуха, и вода их почти не смачивает. Китайские физики Сюэфэн Гао и Лэй Цзян в 2004 году опубликовали в журнале «Nature» измерения, по которым краевой угол воды на лапке водомерки близок к 170 градусам. Лапка не прокалывает поверхность воды, а продавливает её, как упругую плёнку, и одна лапка способна удержать вес, во много раз превышающий вес всего насекомого.

Похожий опыт можно провести и дома. Стальная игла, если осторожно положить её на воду плашмя, остаётся на поверхности, хотя сталь почти в восемь раз плотнее воды. Опыт удаётся лучше, если иглу слегка натереть жиром или парафином, тогда вода её не смачивает, и под иглой образуется небольшая ямка, края которой поддерживают её силами поверхностного натяжения. Стоит капнуть в воду моющего средства, и игла сразу тонет.

1.3 Капиллярные явления при несмачивании

Особенно наглядно несмачивание проявляется в узких трубках, капиллярах. Если опустить стеклянную трубочку в воду, вода в ней поднимется выше уровня в сосуде, а её поверхность будет вогнутой. Если опустить ту же трубочку в ртуть, уровень ртути внутри окажется ниже, чем снаружи, а её поверхность, мениск, будет выпуклой. Силы поверхностного натяжения в этом случае не тянут жидкость вверх по стенкам, а выталкивают её из трубки.

Высоту подъёма или опускания жидкости в капилляре можно рассчитать: она прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения и косинусу краевого угла и обратно пропорциональна плотности жидкости и радиусу трубки. При несмачивании косинус краевого угла отрицателен, и формула даёт отрицательную высоту, то есть опускание. Для ртути в стеклянной трубке радиусом полмиллиметра расчёт даёт опускание примерно на один сантиметр, и это легко заметить на глаз.

Капиллярное опускание приходится учитывать в измерительных приборах. В ртутных термометрах и барометрах край ртутного столбика выпуклый, и отсчёт по шкале ведут по его вершине. В пористых материалах несмачивание действует как защита: если пропитать ткань или кирпич водоотталкивающим составом, вода не втягивается в поры, а остаётся на поверхности каплями. Именно так действуют пропитки для обуви и палаток, а также гидрофобные составы, которыми обрабатывают фасады зданий. Подробнее о том, как несмачивание используют живые организмы и техника, рассказано во второй главе.