Поверхностное натяжение

Для двухфазной однокомпонентной системы – жидкости на границе с собственным насыщенным паром (рис.1) состояние молекул на поверхности жидкости отличается от их состояния в объеме. В объеме равнодействующая сил межмолекулярного взаимодействия равна нулю, а на поверхности вследствие несимметричности молекулярного окружения на молекулу действует нескомпенсированная сила, направленная в объем фазы. Для вывода молекулы из объема на поверхность, то есть для создания новой поверхности, требуется совершить определенную работу. Поверхностное натяжение – работа образования единицы поверхности в обратимых изотермических условиях. При образовании новой поверхности затраченная работа переходит в повышенную энергию молекул на поверхности, поэтому поверхностное натяжение можно определить как избыточную удельную свободную поверхностную энергию.

Рис.1. Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение возникает вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия и зависит от величины этих сил. Величина поверхностного натяжения имеет размерность Дж/м² или Н/м и меняется на границе жидкость/насыщенный пар (при комнатной температуре) от ~ 20 мДж/м² для жидких углеводородов (в которых действуют дисперсионные силы межмолекулярного взаимодействия) до ~ 70 мДж/м² для воды, у которой преобладают водородные связи между молекулами и может достигать 473 мДж/м² для ртути (металлические связи). Поверхностное натяжение обозначают греческой буквой σ (в англоязычной литературе чаще буквой γ).

Наряду с энергетическим (термодинамическим) определением, существует силовая (механическая) трактовка поверхностного натяжения. Связь между этими понятиями дает простой опыт Дюпре. На проволочной рамке с подвижной перекладиной длиной l натянута тонкая пленка жидкости (например, мыльного раствора) (рис.2). При приложении силы F перекладина перемещается на малое расстояние dl. Сила F производит при этом работу dW=Fdl. Если процесс происходит в изотермических обратимых условиях, то работа расходуется на образование новой поверхности площадью 2ldl; затраты на образование поверхности составляют σ2ldl. При равенстве Fdx= σ2ldl получаем, что σ=F/2l. Таким образом, поверхностное натяжение можно рассматривать как силу, приложенную к единице длины контура, ограничивающего поверхность, направленную тангенциально (по касательной) к поверхности и стремящуюся сократить поверхность. Единство энергетического и силового подхода очевидно для легкоподвижных поверхностей (жидкость/газ и жидкость/жидкость), для поверхности твердого тела более обоснованным является энергетическое определение поверхностного натяжения.

Рис.2. Опыт Дюпре

На границе двух конденсированных фаз величина поверхностного натяжения зависит от интенсивности сил взаимодействия между молекулами разных фаз и чем сильнее взаимодействия, тем меньшее значение будет принимать величина поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение между «родственными» фазами может достигать очень малых величин 10^-2-10^-3 мДж/м².

Рекомендованная литература

Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. 4-е изд., исправ. – М.: Высш. шк. 2006.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей. – М.: Издательство «Мир». 1979.

Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2008.