Поверхностное натяжение и поверхностная энергия

Поверхностные явления

(на границе газ - жидкость, жидкость- жидкость, жидкость – твердое тело)

План лекции

Поверхностное натяжение и поверхностная энергия

2. Факторы, влияющие на величину поверхностного натяжения.

3. Смачивание. Краевой угол смачивания.

4. Классификация поверхностных явлений

5. Процессы, приводящие уменьшению границы раздела фаз: приобретение каплями сферической формы, коагуляция, коалесценция.

6. Процессы, сопровождающиеся снижением поверхностного натяжения: адсорбция, адгезия, смачивание.

7. Адсорбция. Уравнения Фрейндлиха, Ленгмюра, Гиббса.

Поверхностное натяжение и поверхностная энергия

К поверхностным явлениям относят эффекты и особенности поведения веществ, которые наблюдаются на поверхностях раздела фаз. Причина поверхностных явлений – особое состояние молекул в слоях жидкостей и твердых тел, непосредственно прилегающих к поверхностям раздела. Эти слои резко отличаются по многим физико-химичес­ким характеристикам (удельной энергии, плотности, вязкости, электрической проводимости и др.) от свойств фаз в глубине их объема (рис.1.)

Рис.1. Состояние молекул во внутреннем и поверхностном

слоях жидкости

Поверхность жидкости, соприкасающаяся с другой средой, например, с собственным паром, находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Эти особые условия возникают потому, что молекулы поверхностного слоя в отличие от молекул в ее глубине, подвергаются неодинаковому притяжению молекул жидкости и газа. Каждая молекула внутри жидкости со всех сторон притягиваются соседними молекулами, расположенными на расстоянии радиуса сферы действия межмолекулярных сил (рис.1) В результате силы притяжения компенсируются, поэтому равнодействующая этих сил равна нулю.

Т.о. поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под дейс­твием силы, стремящейся втянуть их внутрь. Это приводит к тому, что поверхность жидкости всегда стремится сократиться. Этим объясняется и шарообразная форма капли жидкости (шар имеет минимальную поверхность) и идеальная гладкая поверхность жидкости в широком сосуде.

При увеличении поверхности, например при сжатии капли или растяжении жидкой пленки, некоторое число молекул из глубины жидкости переходит на поверхность. Этот процесс переноса молекул из равновесного состояния в особое состояние молекул поверхностного слоя требует затраты внешней работы. Работа увеличения площади поверхности жидкости переходит в потенциальную энергию молекул поверхностного слоя – поверхностную энергию. Поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхности, получила название поверхностного натяжения.

σ = F / S,

где σ – поверхностное натяжение,

F – поверхностная энергия

S – площадь поверхности

В единицах СИ поверхностное натяжение выражается В Дж./м² или Н/м. Поверхностное натяжение для различных жидкостей неодинаково, особенно велико поверхностное натяжение у воды (7.3 ^. 10^-2 Н/м).

Поверхностная энергия, а следовательно, и поверхностное натяжение зависят от

§ температуры,

§ природы граничащих фаз,

§ природы и концентрации растворенных веществ.

1. Влияние температуры на поверхностное натяжение: С повышением температуры значение σ индивидуальных жидкостей на границе с воздухом линейно уменьшается. Температурный коэффициент поверхностного натяжения имеет отрицательный знак и постоянную величину.

где σ₁ и σ₂ – поверхностное натяжение при температурах Т₁ и Т₂,

α = 0,1 мН/(м × К) температурный коэффициент поверхностного натяжения

2. Правило Ребиндера определяет влияние природы граничащих фаз : Чем больше разность полярностей (ΔП) фаз, тем сильнее поверхностное натяжение на границе их раздела

где e - диэлектрическая проницаемость.

8. Вещества, растворение которых вызывает повышение поверхностного натяжения жидкостей, называют поверхностно-инактивны­ми веществами (ПИВ: NaCl, СаСl₂, Na₂SO₄). Вещества, при растворении которых понижается поверхностное натяжение на границе раздела фаз, называют поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Рис. 2. Изотерма поверхностного натяжения. Строение молекулы ПАВ.