Поверхностное натяжение

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ, стремление в-ва (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностную энергию). Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади пов-сти раздела фаз (размерность Дж/м²). Согласно др. определению, поверхностное натяжение-сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего пов-сть раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к пов-сти и препятствует ее самопроизвольному увеличению.

Поверхностное натяжение-осн. термодинамич. характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или др. жидкостью. Поверхностное натяжение разл. жидкостей на границе с собств. паром изменяется в широких пределах: от единиц для сжиженных низкокипящих газов до неск. тыс. мН/м для расплавл. тугоплавких в-в. Поверхностное натяжение зависит от т-ры. Для мн. однокомпо-нентных неассоциир. жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критич. т-ры хорошо выполняется линейная зависимость:

где s и s₀-поверхностное натяжение при т-рах T и T₀ соотв., a0,1 мН/(м·К)-температурный коэффициент поверхностного натяжения. Осн. способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Поверхностное натяжение входит во мн. ур-ния физики, физ. и коллоидной химии, электрохимии. Оно определяет след. величины: 1) капиллярное давление , где r₁ и r₂ -главные радиусы кривизны пов-сти, и давление насыщ. пара р_r над искривленной пов-стью жидкости: , где r-радиус кривизны пов-сти, R -газовая постоянная, V_n-молярный объем жидкости, p₀- давление над плоской пов-стью (законы Лапласа и Кельвина, см. Капиллярные явления).

2) Краевой угол смачивания в контакте жидкости с пов-стью твердого тела: cos , где -уд. своб. поверхностные энергии твердого тела на границе с газом и жидкостью, -поверхностное натяжение жидкости (закон Юнга, см. Смачивание).

3) Адсорбцию ПАВ где m-хим. потенциал адсорбируемого в-ва (ур-ние Гиббса, см. Адсорбция). Для разб. р-ров где с-молярная концентрация ПАВ.

4) Состояние адсорбц. слоя ПАВ на пов-сти жидкости: (p_s + a/A²)·(A - b)= kT, где p_s = (s₀ — s) - двухмерное давление, s₀ и <т-соответственно поверхностное натяжение чистой жидкости и той же жидкости при наличии адсорбц. слоя, а -постоянная (аналог постоянной Ван-дер-Ваальса), A-площадь поверхностного слоя, приходящаяся на одну адсорбир. молекулу, b -площадь, занимаемая 1 молекулой жидкости, k -постоянная Больцмана (ур-ние Фрумкина-Фольмера, см. Поверхностная активность).

5)Электрокапиллярный эффект: — ds/df = r_s, где r_s-плотность поверхностного заряда, f-потенциал электрода (ур-ние Липмана, см. Электрокапиллярные явления).

6) Работу образования критич. зародыша новой фазы W_c. Напр., при гомог. конденсации пара при давлении , где p₀- давление пара над плоской поверхностью жидкости (ур-ние Гиббса, см. Зарождение новой фазы).

7) Длину l капиллярных волн на пов-сти жидкости: , где r-плотность жидкости, т-период колебаний, g-ускорение своб. падения.

8) Упругость жидких пленок со слоем ПАВ: модуль упругости , где s- площадь пленки (ур-ние Гиббса, см. Тонкие пленки).

Поверхностное натяжение измерено для мн. чистых в-в и смесей (р-ров, расплавов) в широком интервале т-р и составов. Поскольку поверхностное натяжение весьма чувствительно к наличию примесей, измерения разными методиками не всегда дают совпадающие значения. Осн. методы измерения следующие:

1) подъем смачивающих жидкостей в капиллярах. Высота подъема , где -разность плотностей жидкости и вытесняемого газа, r-радиус капилляра. Точность определения поверхностного натяжения растет с уменьшением отношения r/а (а-капиллярная постоянная жидкости).

2) Измерение макс. давления в газовом пузырьке (метод Ребиндера); расчет основан на ур-нии Лапласа. При выдавливании пузырька в жидкость через калиброванный капилляр радиусом г перед моментом отрыва давление

3) Метод взвешивания капель (сталагмометрия): (ур-ние Тейта), где G-общий вес n капель, оторвавшихся под действием силы тяжести от среза капиллярной трубки радиусом r. Для повышения точности правую часть умножают на поправочный коэф., зависящий от г и объема капли.

4) Метод уравновешивания пластины (метод Вильгельми). При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины , где G₀- вес сухой пластины.

5) Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи). Для отрыва проволочного кольца радиусом R от пов-сти жидкости требуется сила

6) Метод сидящей капли. Профиль капли на несмачиваемой подложке определяется из условия постоянства суммы гидростатич. и капиллярного давлений. Дифференциальное ур-ние профиля капли решается численным интегрированием (метод Башфорта-Адамса). По измерениям геом. параметров профиля капли с помощью соответствующих таблиц находят поверхностное натяжение.

8) Метод вращающейся капли. Капля жидкости плотностью r₁ помещается в трубку с более тяжелой (плотность r₂) жидкостью. При вращении трубки с угловой скоростью w капля вытягивается вдоль оси, принимая приближенно форму цилиндра радиуса r. Расчетное ур-ние: . Метод применяют для измерения малых поверхностных натяжений на границе двух жидкостей.

Поверхностное натяжение является определяющим фактором мн. технол. процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесе-ния покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки и др. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости.

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й пол. 19 в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита мат. теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во 2-й пол. 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамич. теорию поверхностных явлений, в к-рой решающую роль играет поверхностное натяжение. В 20 в. разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов (И. Ленгмюр, П. А. Ребиндер, A. H. Фрумкнн). Среди совр. актуальных проблем-развитие мол. теории поверхностного натяжения разл. жидкостей (включая расплавл. металлы), влияние кривизны пов-сти на поверхностное натяжение.

Лит.: Семенченко В. К., Поверхностные явления в металлах и сплавах, M., 1957; Оно С., Кон до С., Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях, пер. с англ., M., 1963; Русанов А. И., Фазовые равновесия и поверхностные явления, Л., 1967; Ребиндер П. А., Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, M., 1978; АдамсонА., Физическая химия поверхностей, пер. с англ., M., 1979; Гиббс Дж. В., Термодинамика. Статистическая механика, M., 1982; Щукин E. Д., ПерцовА. В., Амелина E. А., Коллоидная химия, M., 1982.

Б. Д. Сумм.