Лекция 6. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение.

Основные определения.

Оценка поверхностного натяжения жидкостей. Методы.

Межфазное натяжение.

Смачивание.

Уравнение Юнга-Дюпре.

Определение поверхностного натяжения твердых тел.

Адсорбция на границе жидкость-газ.

Уравнение Гиббса.

Изотерма адсорбции. Построение.

Поверхностный слой жидкости, соприкасающийся с другой средой, находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости.

Эти особые условия возникают потому, что молекулы поверхностного слоя, в отличии от молекул внутренних слоев, подвергаются неодинаковому притяжению молекулами жидкости и газа.

Каждая молекула внутри жидкости со всех сторон притягивается с одинаковыми силами соседними молекулами, расположенными на расстоянии радиуса сферы действия межмолекулярных сил, как показано на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема действия межмолекулярных сил внутри жидкости и на ее поверхности.

В результате, силы притяжения компенсируются и равнодействующая сил для молекулы 1 равна 0.

У молекул поверхностного слоя (молекула 2) одна часть сферы действия межмолекулярных сил находится в жидкости, другая – в газовой фазе. Так как плотность газа меньше плотности жидкости, то силы притяжения молекул газа очень малы и равнодействующая всех сил притяжения будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности.

Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь и, тем самым, сократить поверхность жидкости.

Этим объясняется шарообразная форма капли жидкости (шар имеет минимальную поверхность).

При увеличении поверхности, например, при растяжении жидкой пленки, некоторое число молекул из внутренних областей жидкости переходит на поверхность. Этот переход молекул из равновесного состояния в особое состояние молекул поверхностного слоя требует затраты внешней работы.

Работа, затрачиваемая на увеличение площади поверхности жидкости, переходит в потенциальную энергию молекул поверхностного слоя – поверхностную энергию.

Поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхности, называется поверхностным натяжением (ПН):

где – поверхностное натяжение;

- поверхностная энергия;

- площадь поверхности.

В единицах СИ поверхностное натяжение измеряется в Дж/м² или Н/м, так как Дж=Н^.м.

Единица измерения ПН [Н/м] соответствует представлению о ПН как о силе, отнесенной к единице длины контура поверхности, направленной вдоль поверхности и стремящейся ее уменьшить.

Так как ПН определяется работой создания единицы площади поверхности, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей, то чем прочнее межмолекулярные связи, тем больше ПН жидкости (например, вода ПН_воды=71,95 мН/м, бензол ПН_{бензола}=28,2 мН/м при 25 ⁰С).

С повышением температуры ПН снижается, т.к. ослабляются межмолекулярные связи.

Таким образом, поверхностная энергия – это прямое проявление межмолекулярных взаимодействий.

Молекулы, находящиеся на поверхности жидкости или твердого тела испытывают воздействие неуравновешенных молекулярных сил, вследствие чего получают дополнительную энергию по сравнению с молекулами, которые находятся внутри жидкости или твердого тела.

Проявляет себя поверхностная энергия как сила, которая стремится уменьшить площадь поверхности до минимально возможной величины.

В твердых телах подвижность молекул на поверхности отсутствует, поэтому поверхностная энергия здесь не может наблюдаться в виде поверхностного натяжения. Измерять поверхностную энергию можно лишь косвенными методами.

Дополнительная свободная энергия на поверхности раздела двух конденсированных фаз называется межфазным натяжением.

ПН и межфазное натяжение являются важными характеристиками, потому что они определяют ход важных технологических процессов.

Эти показатели важны для устойчивости дисперсий, суспензий, эмульсий и других дисперсных систем.

Существует ряд независимых методов оценки ПН, среди которых различают статистические и динамические, косвенные и непосредственные.