Поверхностное натяжение на границе жидкость – жидкость

В случае двух конденсированных фаз коэффициент σ называется поверхностным межфазным натяжением и определяется как сила, приложенная по касательной к плоскости поверхности, приходящаяся на единицу длины, которая препятствует увеличению поверхности.

Наличие над слоем первой жидкости слоя другой, несмешивающейся с нею жидкости, всегда будет приводить к понижению межфазного поверхностного натяжения, поскольку молекулы второй жидкости будут притягивать к себе молекулы первой и, таким образом будут уменьшать действие некомпенсированных сил на поверхности первой жидкости. Это понижение поверхностного натяжения тем значительнее, чем меньше разность полярностей обеих жидкостей. Жидкости, близкие по полярности, хорошо смешиваются друг с другом и поверхностное натяжение между ними должно равняться нулю.

Поверхностное межфазное натяжение с повышением температуры уменьшается (ослабление межмолекулярного взаимодействия) и в критической точке, при которой поверхность раздела фаз исчезает, поверхностное натяжение равно нулю σ = 0. Чем меньше поверхностное натяжение на границе двух жидкостей σ_1,2, тем выше взаимная растворимость жидкостей. При критической температуре полного смешивания обеих жидкостей σ_1,2 = 0. Например, система вода – фенол полностью смешивается при Т = 339 К.

Если жидкости ограничено растворимы друг в друге, поверхностное натяжение на границе жидкость – жидкость определяется по правилу Антонова.

Правило Антонова. Поверхностное межфазное натяжение на границе двух взаимо ограниченно растворимых жидкостей равно разности поверхностных натяжений взаимно насыщенных растворов обеих жидкостей на границе их с воздухом:

,

где σ_1,2 – поверхностное натяжение на поверхности раздела 2-х насыщенных растворов жидкостей, σ₁ и σ₂ соответственно поверхностное натяжение на границе насыщенного раствора жидкостей 1 и 2 на поверхности раздела жидкость – воздух (пар).

Практическое определение поверхностного натяжения:

1.) Один из способов экспериментального определения поверхностного натяжения σ - метод давления - заключается в следующем: определяют давление р, под которым выдавливают из стеклянного капилляра пузырек газа в жидкость или капли одной жидкости в другой жидкости, если нужно измерить σ₁₂ на границе двух жидкостей. Величина давления р устанавливается при помощи манометра. Эта величина давления пропорциональна величине поверхностного натяжения на границе раздела фаз:

σ = k∙p,

где k–константа капилляра, измеряется на жидкости с известным поверхностным натяжением.

При измерениях по методу давления широко используется прибор Ребиндера.

2.) Другой способ определения поверхностного натяжения - по массе капли жидкости. Поверхностное натяжение σ можно вычислить, зная массу капли жидкости m в момент отрыва ее от капилляра, по уравнению:

σ= ,

где g – ускорение свободного падения, r – радиус капилляра.

Если ,где ρ – плотность жидкости, n – число капель в объёме жидкости V, вытекающей из капилляра, тогда поверхностное натяжение равно:

Если две жидкости, занимающие одинаковые объемы пропускать через один и тот же капилляр, то:

=>

Например, σ(октан)^возд_{293 К} = 31,14 Дж/м², σ(бензол)^возд_293К = 28,88 Дж/м².

3.) Метод Дюпре:

δA = р·dH;

δA = σ·dS = σ·d(2bh) = 2bσ·dh (плёнка с 2-х сторон)

р = 2b∙σ => σ =

Если плёнка в виде цилиндра .

4.) Метод Вильгельма (метод взвешивания): берётся платиновая или стеклянная платина, сначала взвешивается сухая пластина, затем взвешивается пластина, частично опущенная в жидкость.

P = P_сух.пл. – ρgV + σ∙П,

где Р – вес пластины, ρ – плотность жидкости, V – объём пластины, П – периметр смачивания.

Метод позволяет определить σ при изменении характера жидкости.

5.) Метод Лапласа: исследование капиллярных явлений.

,

где р₁ и р₂ – давление в фазах, r₁ и r₂ – радиусы кривизны.

Если r₁ = r₂ = r => => .