§ 253. Смачивание и несмачивание.

В § 249 отмечалось, что небольшие капельки ртути, помещенные на стеклянную пластинку, принимают шарообразную форму. Это является результатом действия молекулярных сил, стремящихся уменьшить поверхность жидкости.

Ртуть, помещенная на поверхности твердого тела, не всегда образует круглые капли. Очистим цинковую пластинку от окислов, протерев ее тряпкой, смоченной в слабой серной кислоте, и поместим на нее капельку ртути (рис. 411). Мы увидим, что капелька ртути растечется по цинковой пластинке, причем общая поверхность капельки, несомненно, увеличится.

Рис. 411. Растекание ртути по очищенному цинку

Капля анилина в опыте изображенном на рис. 403, имеет шарообразную форму тоже только тогда, когда она не касается стенки стеклянного сосуда. Стоит ей коснуться стенки, как она тотчас прилипает к стеклу, растягиваясь по нему и приобретая большую общую поверхность.

Чем же объясняется эта разница? Вспомним, что стремление молекул жидкости уйти внутрь жидкости и уменьшить поверхность, отделяющую жидкость от газа, объясняется тем, что молекулы жидкости почти не притягиваются молекулами газа (молекул газа слишком мало).

В случае соприкосновения с твердым телом силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердого тела начинают играть существенную роль. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекул жидкости с молекулами твердого тела. В случае ртути и стекла силы сцепления между молекулами ртути и стекла малы по сравнению с силами сцепления между молекулами ртути, и ртуть собирается в каплю. В случае же воды и стекла (или ртути и цинка) силы сцепления между молекулами жидкости и твердого тела превосходят силы сцепления, действующие между молекулами жидкости, и жидкость растекается по твердому телу.

Чтобы проверить правильность этих рассуждений, сделаем такой опыт. Возьмем стеклянную пластинку с приклеенным к ней сверху крючком. Положим ее на поверхность ртути и будем тянуть за крючок, пока пластинка не оторвется от ртути. При этом пластинка оторвется от ртути совершенно чистой, не унося с собой ртути (рис. 412, а). Это показывает, что сцепление между молекулами стекла и ртути меньше, чем между молекулами ртути. Здесь дело обстоит так же, как с растягиваемой цепью, которая рвется там, где у нее самое слабое звено.

Если же вместо ртути взять воду и повторить тот же опыт, то заметим, что оторванная стеклянная пластинка покрыта водой (рис. 412, б). В этом случае разрыв происходит между молекулами воды, а не между водой и стеклом. Значит, силы сцепления между водой и стеклом больше, чем силы сцепления частиц воды между собой. В первом случае мы называем жидкость не смачивающей твердое тело (ртуть — стекло, вода — парафин), во втором — смачивающей (ртуть — цинк, вода — стекло). Отсюда следует, что, говоря о поверхности жидкости, надо иметь в виду не только поверхность, где жидкость граничит с воздухом, но также и поверхность, граничащую с другими жидкостями или с твердыми телами. В частности, когда жидкость налита в сосуд, то большая часть ее поверхности граничит со стенками сосуда.

Рис. 412. а) Чистая стеклянная пластинка, отрываясь от поверхности ртути, не уносит с собой ртути, б) Та же пластинка, отрываясь от поверхности воды, покрывается пленкой воды

В зависимости от того, смачивает ли жидкость стенки сосуда или не смачивает, форма поверхности жидкости у места соприкосновения с твердой стенкой и газом имеет разный вид. В случае ртути в стеклянном сосуде или воды в сосуде, стенки которого покрыты слоем парафина, форма поверхности у края круглая, выпуклая (рис. 413). Это объясняется тем, что в данном случае силы сцепления между молекулами ртути превосходят силы сцепления ртути со стенками, и ртуть, стремясь стянуться, частично отходит от стекла. В других случаях (вода в чистом стеклянном или металлическом сосуде) жидкость у края принимает форму, показанную на рис. 414. При этом притяжение жидкости стенками превосходит притяжение между молекулами жидкости, и жидкость подтягивается к стеклу, стремясь растечься по нему.

Рис. 413. Так располагается у стеклянной стенки ртуть (увеличено)

Рис. 414. Так располагается у стеклянной стенки вода (увеличено)

253.1. Почему воду из стеклянного пузырька можно отмерять каплями, а ртуть нельзя?

253.2.Объясните способ наливания воды в узкое горлышко сосуда по стеклянной палочке или по спичке (рис. 415).

253.3.Положите на поверхность воды сухое бритвенное лезвие. Если его брали пальцами, оно всегда покрыто тонким слоем жира. Лезвие будет плавать. То же лезвие, тщательно вымытое мылом (не касайтесь после этого руками), не может плавать на поверхности воды. Объясните явления.

253.4. Познакомьтесь с процессом паяния. Чтобы расплавленный припой (например, сплав олова со свинцом) растекался на поверхностях спаиваемых металлических предметов, надо тщательно очищать эти поверхности паяльной жидкостью (например, хлористым цинком). Хлористый цинк освобождает металлическую поверхность от окислов. Примите во внимание громадные силы сцепления в металлах и объясните, почему необходимо соприкосновение припоя с совершенно чистой металлической поверхностью.

Рис. 415. Применение стеклянной палочки для наливания воды в сосуд с узким горлом