זווית מגע

מגע בין טיפת נוזל למשטח מוצק. זווית המגע באיור מסומנת ב-$\ \theta_c$, ומסומנים גם הכוחות $\ \gamma$ הפועלים על הממשק.

בכימיה פיזיקלית, זווית מגע היא הזווית הנוצרת בממשק המגע בין שני חומרים, בדרך כלל בין טיפה של חומר במצב צבירה נוזלי או גזי, למשטח מוצק.

זווית מגע היא אמצעי חשוב לאפיון פני שטח, וישנם גדלים פיזיקליים ותכונות חומרים שהדרך היחידה לכמת אותם היא זווית המגע. זווית מגע היא גודל המשמש במגוון תחומים מדעיים בנוסף לכימיה פיזיקלית, בהם כימיה, כימיה אנליטית, כימיית פני שטח, פיזיקה, תרמודינמיקה ותורת הרצף.

נהוג להתייחס בתאוריה למגע בין נוזל ומוצק שהוא הממשק הנפוץ ביותר, אך אותם העקרונות תקפים גם למצבי צבירה אחרים, כגון מגע בין מוצק וגז או בין שני מוצקים.

מדידה וחישוב של זווית מגע

הדרך הפשוטה ביותר למדוד זווית מגע היא טפטוף טיפת נוזל על פני משטח מפולס ומדידת הזווית הנוצרת בין הטיפה לבין המשטח. המדידה נעשית באמצעות סוג מיוחד של מד זווית המכונה "גוניומטר". הגוניומטר מכיל גם אמצעי הגדלה וצילום אופטיים לצורך המדידה.

זווית המגע ייחודית לכל שילוב חומרים, עם זאת, ישנם מקרים בהם ניתן להעריך את גודלה א-פריורית. זווית המגע והגדלים המשפיעים על ערכה מקושרים במשוואת יאנג המוצגת בהמשך.

זווית המגע ומים

אחת התכונות החשובות של פני שטח הן הידרופוביות והידרופיליות. כאשר פני שטח המושכים מים מכונים "הידרופיליים", ופני שטח הדוחים מים מכונים "הידרופוביים". הדרך המקובלת להערכת ההידרופוביות או ההידרופיליות של פני השטח היא מדידת זווית המגע בין פני השטח לבין המים.

זווית המגע [מעלות]	סיווג פני השטח	דוגמאות
0-30	הידרופיליים מאד	מתכות
30-90	הידרופיליים	תחמוצות
90-120	הידרופוביים	פולימרים מסוימים
120-150	הידרופוביים מאד
150 ומעלה	סופר הידרופוביים	עלי לוטוס

ניתוח תרמודינמי

הנחת היסוד של הניתוח התרמודינמי היא שיווי משקל בין שלוש הפאזות: המוצקה של פני השטח (תסומן כ S), הנוזלית של הטיפה (L) והגזית של הסביבה (V). בשיווי משקל הפוטנציאל הכימי של שלוש הפאזות שווה. הניתוח הנוח מבחינה תרמודינמית מסתמך על אנרגיות פני שטח: אנרגיית פני השטח מוצק-גז תסומן כ γSV. אנרגיית פני השטח מוצק-נוזל תסומן כ γSL. אנרגיית פני השטח נוזל-גז תסומן כ γ. משוואת יאנג קובעת:

$0=\gamma_\mathrm{SV} - \gamma_\mathrm{SL} - \gamma \cos \theta_\mathrm{C} \,$

כאשר $\theta_\mathrm{C}$ היא זווית המגע בשיווי משקל. עם זאת לא בכל תנאי ניתן לשתמש במשוואת יאנג, משום שהיא מניחה פני שטח חלקים למהדרין, בעוד במציאות ישנם חיספוסים ואי ניקיונות. בכדי לחשב את זווית המגע בדיוק רב יותר יש להתחשב בזווית המגע הגבוהה ביותר (שתוסמן באות A) ובנמוכה ביותר, שתסומן באות (R):

$\theta_\mathrm{C}=\arccos{\frac{r_\mathrm{A}\cos{\theta_\mathrm{A}}+r_\mathrm{R}\cos{\theta_\mathrm{R}}}{r_\mathrm{A}+r_\mathrm{R}}}$

כאשר:

$r_\mathrm{A}=\sqrt[3]{\frac{\sin^3{\theta_\mathrm{A}}}{2-3\cos{\theta_\mathrm{A}}+\cos^3{\theta_\mathrm{A}}}}$

ו:

$r_\mathrm{R}=\sqrt[3]{\frac{\sin^3{\theta_\mathrm{R}}}{2-3\cos{\theta_\mathrm{R}}+\cos^3{\theta_\mathrm{R}}}}$

בהינתן אנרגיות פני שטח אחרות, ניתן להעריך מזווית המגע את אנרגיית הממשק המבוקשת. וזאת ע"פ משוואת יאנג דופרה:

$\gamma (1 + \cos \theta_\mathrm{C} )= \Delta W_\mathrm{SLV} \,$

כאשר $\Delta W_\mathrm{SLV}$ היא אנרגיית האדהזיה בין המוצק (S) ובין הנוזל (L) בסביבת הגז (V), מנורמלת ליחידת שטח.

טכניקות מדידה

• מדידה סטטית - בשיטה זו מטפטפטים טיפה על פני השטח, ממתינים להתייצבות המערכות, ואז מודדים את זווית המגע. נהוג לחזור על מדידה זו בשלושה מקומות שונים על פני השטח ולחשב תוחלת וסטיית תקן. ערך התוחלת יהיה זווית המגע בין הנוזל למוצק, וסטיית התקן מאפשרת לכמת עד כמה פני השטח אחידים. ככל שסטיית התקן קטנה יותר הדבר מראה על אחידות גבוהה יותר.

• מדידה דינמית - בשיטה זו מטפטפטים טיפה על פני השטח, ממתינים להתייצבות המערכות, ואז מודדים את זווית המגע. אחר כך מגדילים את נפח הטיפה ומודדים זווית מגע, כך חמש פעמים. אחר כך גורעים נפח מהטיפה ומודדים את זווית המגע, כך חמש פעמים. בשלב זה מחשבים תוחלת וסטיית תקן למדידות שנעשו תוך הגדלת נפח הטיפה, וכן למדידות שנעשו תוך כדי גריעת נפח הטיפה. ההפרש בין התוחלות מכונה "חשל" (היסטרזיס), וגודל זה אינדיקטיבי לאחידות פני השטח. כאשר חשל הקטן מעשר מעלות מראה על פני שטח אחידים. התוחלת היא זווית המגע בין הנוזל למוצק.

ראו גם

• בדיקת נוזל חודר

קישורים חיצוניים

• זווית מגע - באתר פיזיקה פלוס.