Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение — это термодинамическая характеристика поверхности раздела двух фаз (например, жидкость — газ, жидкость — жидкость, жидкость — твердое тело), определяемая работой, необходимой для увеличения площади этой поверхности на единицу при постоянных температуре, объёме и химических потенциалах компонентов. В более узком смысле под поверхностным натяжением понимают силу, действующую на единицу длины контура, ограничивающего поверхность, и стремящуюся сократить эту поверхность до минимума. Явление обусловлено избытком свободной энергии молекул в поверхностном слое по сравнению с молекулами в объёме фазы.

Физическая природа

Внутри жидкости каждая молекула испытывает одинаковое притяжение со всех сторон со стороны соседних молекул. Результирующая сила, действующая на молекулу, равна нулю. Молекула, находящаяся на поверхности, взаимодействует только с молекулами, расположенными ниже и сбоку, а со стороны газовой фазы притяжение пренебрежимо мало. В результате возникает нескомпенсированная сила, направленная внутрь жидкости. Чтобы переместить молекулу из объёма на поверхность, необходимо совершить работу против этой силы. Таким образом, поверхностный слой обладает избыточной потенциальной энергией, которая стремится минимизироваться, то есть сократить площадь поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения

Количественно поверхностное натяжение характеризуется коэффициентом σ (сигма). В системе СИ он измеряется в ньютонах на метр (Н/м) или в джоулях на квадратный метр (Дж/м²). Коэффициент зависит от природы жидкости, температуры, наличия примесей и свойств граничащей среды. Для большинства чистых жидкостей с ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается, а вблизи критической точки (где исчезает различие между жидкостью и паром) стремится к нулю.

История изучения

Первые наблюдения эффектов поверхностного натяжения относятся к античности: Плиний Старший описывал плавание насекомых на воде. В XVII веке Леонардо да Винчи изучал капиллярные явления. Систематическое исследование началось в XVIII—XIX веках. В 1805 году Томас Юнг разработал теорию капиллярности, введя понятие поверхностного натяжения как силы на единицу длины. В 1806 году Пьер-Симон Лаплас вывел уравнение, связывающее капиллярное давление с кривизной поверхности (уравнение Лапласа). В 1873 году Джозайя Уиллард Гиббс в рамках термодинамики дал строгое определение поверхностной энергии и адсорбции. В XX веке развитие методов измерения (метод отрыва кольца, метод капли, метод максимального давления в пузырьке) позволило точно определять σ для различных веществ.

Методы измерения

Существует несколько основных методов экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения:

Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи): измеряется сила, необходимая для отрыва платинового кольца от поверхности жидкости.
Метод капиллярного поднятия: по высоте подъёма жидкости в капилляре радиусом r рассчитывается σ = (ρ g h r) / 2, где ρ — плотность, g — ускорение свободного падения, h — высота столба.
Метод висящей или лежащей капли: по форме капли, сфотографированной в равновесии, с помощью численного решения уравнения Лапласа определяется σ.
Метод максимального давления в пузырьке: измеряется давление, необходимое для выдавливания пузырька газа через капилляр в жидкость.
Метод сталагмометра: по массе капель, отрывающихся от капилляра, рассчитывается поверхностное натяжение.

Явления, связанные с поверхностным натяжением

Капиллярность

Капиллярные явления — подъём или опускание жидкости в узких трубках (капиллярах) и пористых средах. Если жидкость смачивает стенки (например, вода в стеклянном капилляре), образуется вогнутый мениск, и жидкость поднимается. Если не смачивает (ртуть в стекле) — выпуклый мениск, и уровень опускается. Высота подъёма описывается формулой Жюрена. Капиллярность играет ключевую роль в движении воды в почве, питании растений, работе фильтров и промокательных материалов.

Смачивание и растекание

Смачивание характеризует способность жидкости растекаться по твёрдой поверхности. Количественно оценивается краевым углом смачивания θ. При θ < 90° жидкость смачивает поверхность, при θ > 90° — не смачивает. Полное смачивание (θ = 0°) приводит к растеканию жидкости тонким слоем. Явление используется в процессах пропитки, нанесения покрытий, флотации.

Капиллярное давление

Согласно уравнению Лапласа, давление внутри искривлённой поверхности раздела фаз отличается от давления снаружи. Для сферической капли радиуса r избыточное давление Δp = 2σ / r. Это давление объясняет способность мыльных пузырей выдерживать разность давлений, а также явление кавитации (образование пузырьков пара при понижении давления).

Образование капель и пузырей

Капли жидкости и пузырьки газа образуются, когда поверхностное натяжение удерживает их от разрыва. Размер капли, отрывающейся от капилляра, определяется балансом силы поверхностного натяжения и силы тяжести. В невесомости капли принимают строго сферическую форму, так как поверхностное натяжение минимизирует площадь.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ)

Поверхностно-активные вещества — это соединения, которые адсорбируются на границе раздела фаз и значительно снижают поверхностное натяжение. Молекулы ПАВ имеют дифильное строение: гидрофильную (полярную) головку и гидрофобный (неполярный) хвост. При концентрации выше критической концентрации мицеллообразования (ККМ) ПАВ образуют в растворе мицеллы. ПАВ широко применяются в моющих средствах, эмульгаторах, пенообразователях, при нефтедобыче (для повышения нефтеотдачи пластов). Примеры: мыла, синтетические детергенты, лецитины.