Методика визначення кута змочування поверхонь водою

Завдання роботи:

визначити кути змочування різних поверхонь водою.

Обладнання:

– цифровий USB-мікроскоп;
– піднімальний столик;
– чисте мікроскопне скло;
– мікроскопне скло, покрите парафіном.

Основні терміни та поняття

ЯВИЩЕ ЗМОЧУВАННЯ. КАПІЛЯРНІ ЯВИЩА – ВЛАСТИВОСТІ РІДИН Змочування

Теоретична частина

З повсякденної практики відомо, що крапля води розтікається на поверхні скла та набуває форми, зображеної на рис. 2. Водночас ртуть на тій самій поверхні перетворюється на дещо сплюснуту краплю (рис. 3).

У першому випадку говорять, що рідина змочує тверду поверхню, у другому – що не змочує.
Змочування залежить від характеру сил, що діють між молекулами поверхневих шарів середовищ, які перебувають у контакті. Для рідини, що змочує поверхню твердого тіла, сили тяжіння між молекулами рідини і твердого тіла більші, ніж між молекулами самої рідини, та рідина прагне збільшити поверхню контакту з твердим тілом. Для рідини, що не змочує поверхню твердого тіла, сили тяжіння між молекулами рідини і твердого тіла менші, ніж між молекулами рідини, та рідина прагне зменшити поверхню свого контакту з твердим тілом.
Кут Θ між дотичними до поверхні рідини та твердого тіла називається кутом змочування, або крайовим кутом.
Умовою рівноваги краплі є рівність 0 суми проєкцій сил поверхневого натягу σ на напрям дотичної до поверхні твердого тіла (рис. 2):

звідки

З умови (2) витікає, що кут змочування може бути гострим або тупим залежно від значень σ_3,1 та σ_3,2. Якщо σ_3,1 > σ_3,2, то cos⁡(θ>0) та кут Θ гострий (рідина змочує поверхню). Якщо σ_3,1 < σ_3,2, то cos⁡(θ<0) та кут Θ тупий (рідина не змочує поверхню).
Поняття змочування та незмочування є відносними, тобто рідина, яка змочує одну поверхню, може не змочувати іншу. Наприклад, вода змочує скло, але не змочує парафін, ртуть не змочує скло, але змочує чисті металеві поверхні.
У цій лабораторній роботі пропонується провести безпосереднє вимірювання кута змочування водою різних поверхонь, зокрема чистого скла та скла, покритого парафіном, за допомогою цифрового USB-мікроскопа та його програмного забезпечення.

Хід роботи

1. Підключіть цифровий мікроскоп до ПК.
2. Відкрийте програму MicroCapture.
3. Покладіть на піднімальний столик чисте мікроскопне скло.
4. Установіть мікроскоп горизонтально об’єктивом до столика (див. рис. 1).
5. Наберіть до шприца води та зробіть краплю на досліджуваній поверхні.
6. Підсуньте зразок так, щоб крапля була посередині.
7. За допомогою піднімального столика відрегулюйте висоту так, щоб крапля була дещо нижче центра поля зору мікроскопа.
8. Сфокусуйте мікроскоп на краплю.
9. За допомогою столика відрегулюйте положення зразку так, щоб досліджувана поверхня була розташована в полі зору мікроскопа горизонтально. Якщо необхідно, відкорегуйте фокусування мікроскопа.
10. Зробіть знімок краплі за допомогою команди «Take a photo».
11. Прокрутіть праве меню вікна вниз та відкрийте отриманий знімок у вікні попереднього перегляду програми подвійним кліком лівої кнопки миші.
12. Скористайтеся командою «Angle» для вимірювання кута змочування водою досліджуваної поверхні. Вимірювання проведіть з обох боків краплі; результати вимірювань Θ₁ та Θ₂ запишіть до таблиці результатів.
13. Повторіть вимірювання кутів змочування для мікроскопного скла, покритого парафіном. Результати занотовуйте до таблиці. Приклади вимірювання кутів змочування наведені на рисунках 4 та 5.

Аналіз даних

1. За результатами вимірювань кутів змочування з обох боків краплі розрахуйте середнє значення для кожної поверхні.
2. Порівняйте значення σ_3,1 та σ_3,2 для кожного з трьох випадків; результати порівняння запишіть до таблиці у вигляді σ_3,1 > σ_3,2, або σ_3,1 < σ_3,2.
3. Зробіть висновки за результатами роботи.