Смачивание. Капиллярные явления

На прошлом уроке мы с вами говорили о том, что все вещества состоят из молекул, и что эти молекулы взаимодействуют между собой. Мы рассматривали, как ведут себя молекулы внутри одного и того же вещества — например, почему лёд твёрдый, а вода жидкая. Но сегодня мы сделаем шаг вперёд и спросим: а что происходит, когда встречаются молекулы разных веществ? Как, например, ведут себя молекулы воды, когда они встречаются со стеклом, с деревом или с жиром?

Это не просто праздный интерес. Ответы на эти вопросы объясняют, почему мы можем вытираться полотенцем, почему ручка оставляет след на бумаге, как растения пьют воду и даже почему случаются экологические катастрофы.

Итак, начнём с простого, но очень показательного опыта. Подвесим чистую стеклянную пластинку к пружине и отметим положение её нижнего конца. Поднесём снизу сосуд с водой так, чтобы вода коснулась пластинки. А затем начнём медленно опускать сосуд. Мы увидим, что пружина растянется сильнее, чем была растянута просто весом пластинки. Это означает, что для того, чтобы оторвать пластинку от воды, нужно приложить дополнительное усилие. Но самое интересное происходит в момент отрыва. Пластина, оторванная от воды, оказывается мокрой. Она покрыта слоем воды.

Что это означает? Это означает, что разрыв произошёл не там, где стекло встречается с водой, а внутри самой воды. Молекулы воды крепче держатся за стекло, чем друг за друга. Другими словами, сила притяжения между молекулами воды и стекла больше, чем сила притяжения между самими молекулами воды. Вода буквально «прилипает» к стеклу.

А теперь давайте вместо воды возьмём ртуть — тяжёлый серебристый металл, который при комнатной температуре является жидкостью. Опустим стеклянную пластину в ртуть и поднимем её. О чудо! Пластина выходит из ртути абсолютно сухой и чистой. Ртуть не оставляет на стекле и следа. Это говорит нам об обратном: сила притяжения между молекулами самой ртути гораздо больше, чем сила притяжения между молекулами ртути и стекла. Молекулам ртути «выгоднее» держаться друг за друга, чем прилипать к стеклу.

Именно эти два разных случая мы называем смачиванием и несмачиванием. Если жидкость стремится растечься по поверхности твёрдого тела, прилипает к ней, мы говорим, что она смачивает эту поверхность. Вода смачивает стекло, дерево, кожу, многие ткани. Если же жидкость собирается в капли и стремится минимизировать площадь контакта с поверхностью, мы говорим, что она не смачивает эту поверхность. Классический пример — ртуть на стекле.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с этими явлениями. Почему мы можем вытереть руки полотенцем? Потому что вода смачивает ткань — волокна полотенца притягивают воду, забирая её с кожи. Почему мы можем писать чернилами на бумаге? Потому что чернила смачивают бумагу, проникая в её волокна. Почему мы моем посуду с моющим средством? Чистая вода не очень хорошо смачивает жирные тарелки. Жир — это несмачиваемая поверхность. А моющее средство уменьшает притяжение между молекулами воды, и она начинает лучше смачивать жир, смывая его.

Кстати, о мыле. Мыло — это удивительный «двойной агент» в мире молекул. Один конец его молекулы охотно притягивается к воде (смачивается), а другой — к жиру. Именно поэтому мыло помогает смывать грязь: оно обволакивает жирные частицы грязи и позволяет воде унести их. Без мыла вода просто скатывалась бы с жира, как с гуся вода.

Перья водоплавающих птиц — один из самых важных примеров несмачивания в природе. Утки, гуси, лебеди тщательно смазывают свои перья жиром из специальной железы. Жир — это вещество, которое вода не смачивает. Благодаря этому, когда птица выходит из воды, она просто стряхивает капли, и её перья остаются сухими. Под пухом сохраняется тёплая воздушная прослойка, которая защищает птицу от переохлаждения.

А теперь представьте, что происходит, когда танкер с нефтью терпит крушение в океане. Нефть покрывает перья птиц. Вода начинает смачивать перья, пух намокает, птица теряет способность летать, замерзает и гибнет. Вот почему экологические катастрофы так страшны для всего живого.

Другой пример из мира растений. Листья многих растений покрыты тончайшим восковым налётом. Воск вода не смачивает. Поэтому капли дождя или росы скатываются с листьев, не задерживаясь на них.

Это очень важно, потому что на поверхности листьев есть крошечные отверстия — устьица, через которые растение дышит. Если бы вода смачивала лист, она заливала бы устьица, и растение задыхалось бы. Вот почему после дождя листья многих растений выглядят сухими и чистыми — капли просто скатываются с них, смывая пыль.

И ещё один поразительный пример из мира живой природы. В пустыне Намиб в Африке живёт жук-чернотелка (Onymacris unguicularis). Как вы думаете, как он пьёт воду в пустыне, где дожди могут не идти годами? Оказывается, его панцирь покрыт чередующимися микроскопическими бугорками: одни притягивают воду (гидрофильные), другие отталкивают её (гидрофобные).

Утром, когда опускается туман, капельки воды оседают на гидрофильных бугорках, набухают, и когда достигают определённого размера, сила тяжести и особенности несмачиваемых участков заставляют каплю скатываться прямо в рот жуку. Природа — гениальный инженер!

Знание о смачивании и несмачивании имеет колоссальное практическое значение. Без смачивания мы бы никогда не смогли постирать одежду (вода просто скатывалась бы с грязи), написать ручкой в тетради (чернила не оставляли бы следа), покрасить стену или склеить два куска дерева. Во всех технологических процессах — от крашения тканей до пайки микросхем — инженеры должны учитывать, смачивает ли жидкость материал или нет.

Но на этом чудеса не заканчиваются. Смачивание напрямую связано с тем, как ведёт себя жидкость в тонких трубках. Давайте посмотрим на сосуд с водой. Мы знаем, что под действием силы тяжести поверхность жидкости в широком сосуде всегда строго горизонтальна и плоская. Но посмотрите внимательно на края, у самых стенок! Поверхность не совсем плоская. Она слегка искривляется, изгибается.

У смачивающей жидкости (например, вода в стеклянном стакане) край поверхности загибается вверх, образуя как бы маленькую ямку, вогнутую поверхность. У жидкости, которая не смачивает стенки (например, ртуть в стеклянной пробирке), край, наоборот, загибается вниз, образуя горбик, выпуклую поверхность. Это происходит потому, что смачивающая жидкость «цепляется» за стенку и поднимается вдоль неё, а несмачивающая — отталкивается от стенки и опускается.

В широких сосудах это искривление заметно только у самой стенки. Но если мы возьмём очень узкую трубочку — диаметром меньше миллиметра, то искривление захватывает всю поверхность жидкости. Такие узкие трубочки называются капиллярами (от латинского слова «капиллярис» — волосяной). В капиллярах поверхность жидкости приобретает форму полусферы, которую называют мениском. У смачивающих жидкостей мениск вогнутый (как чашка), у несмачивающих — выпуклый (как горка).

И вот здесь начинается самое удивительное. Из-за искривления поверхности в капилляре возникает дополнительное давление, которое либо втягивает жидкость внутрь, либо выталкивает её. Если жидкость смачивает стенки капилляра, она поднимается вверх по трубочке, причём тем выше, чем тоньше капилляр. Это явление называется капиллярным поднятием.

Если же жидкость не смачивает стенки, уровень жидкости в тонкой трубочке, наоборот, опустится ниже, чем в широком сосуде. Это капиллярное опускание.

Явления изменения высоты столба жидкости в узких трубках называется капиллярными явлениями.

Почему так происходит? Всё дело опять в молекулярных силах. В случае со смачиванием, искривлённая поверхность (мениск) стремится выпрямиться. Молекулы воды у стенки как бы тянут за собой соседей, и вся жидкость втягивается вверх, пока сила тяжести не уравновесит это втягивание. В случае с несмачиванием, мениск стремится сжаться и опускает жидкость вниз.

Высота подъёма жидкости в капилляре зависит от двух вещей: от природы жидкости (чем лучше она смачивает, тем выше подъём) и от радиуса капилляра (чем тоньше трубочка, тем выше подъём). Для воды в стеклянной трубочке толщиной с человеческий волос (около 0,1 миллиметра) высота подъёма может достигать 15 сантиметров!

Капиллярные явления играют огромную роль в нашей жизни, хотя мы часто этого не замечаем. Самое главное — благодаря капиллярам существует жизнь на суше. Миллионы тончайших капилляров пронизывают почву. По ним грунтовая вода поднимается из глубины к корням растений. Сами растения имеют разветвлённую сеть капилляров — сосуды в стеблях и стволах. По этим сосудам вода с растворёнными минеральными веществами поднимается от корней к листьям на самую верхушку, преодолевая силу тяжести. Высота подъёма может достигать десятков метров! А например, секвойи и эвкалипты качают воду на высоту более ста метров только за счёт капиллярных сил и испарения. Это и есть главный секрет жизни растений.

Кстати, этот принцип использовали ещё древние египтяне. Они заметили, что если почву утрамбовать, вода по капиллярам поднимается из глубины к поверхности и быстро испаряется, лишая корни растений влаги. Поэтому они рыхлили землю после разлива Нила. Рыхление разрушает верхние капилляры, создавая слой из крупных комков, через который вода уже не может подняться. Влага сохраняется в почве. Это называется «сухой полив». Обрабатывая почву, мы либо создаём капилляры, либо разрушаем их — в зависимости от задачи.

В быту мы постоянно пользуемся капиллярными явлениями. Бумажная салфетка или полотенце впитывают воду именно благодаря капиллярам между волокнами целлюлозы. Фитиль в керосиновой лампе или свече поднимает горючее вверх, к пламени.

В строительстве и технике с капиллярными явлениями постоянно борются. Стены домов могут сыреть снизу, потому что грунтовые воды поднимаются по микротрещинам и порам в кирпиче или бетоне. Чтобы этого избежать, между фундаментом и стеной прокладывают слой гидроизоляции (например, рубероид) — материал, который не смачивается водой и разрывает капилляры, не давая влаге подняться вверх.

Древесину, которая тоже пронизана капиллярами, пропитывают специальными составами (олифой, лаками, красками), которые закупоривают поры и защищают дерево от гниения.

И напоследок, ещё один удивительный опыт с капиллярами. Возьмём две стеклянные пластины и ванночку с подкрашенной водой. Опустим пластинки в воду в виде слегка приоткрытой книги. Теперь начнём медленно закрывать «книгу». Вы увидите, как вода начнёт подниматься между пластинами.

Но самое красивое — высота подъёма будет разной: там, где щель узкая, вода поднимется высоко, а где широкая — гораздо ниже. Граница жидкости нарисует красивую гиперболу — кривую, показывающую, как высота подъёма зависит от ширины зазора. Это и есть физика в действии, которую можно увидеть своими глазами.

Таким образом, сегодня мы с вами убедились, что физика — это не просто сухие формулы и задачи из учебника. Это наука, которая объясняет самые обычные вещи, окружающие нас каждый день. Почему роса собирается в капли на траве? Почему полотенце вытирает руки? Как дерево пьет воду? Теперь вы знаете ответы.

Мы увидели, как молекулярные силы, невидимые глазу, управляют огромными процессами в природе. Физика делает мир понятным, а понимание делает нас немного волшебниками, способными объяснить любое чудо природы.