Поверхностное натяжение

· Состояние молекул вещества, находящегося в поверхностном слое твердого тела или жидкости отличается от состояния молекул в объеме фазы.

· Если молекула находится на поверхности жидкости, она испытывает притяжение как со стороны жидкой фазы, так и со стороны воздуха (или собственного пара).

· Силы притяжения со стороны газовой фазы намного меньше, поэтому равнодействующая всех сил направлена в сторону жидкости и поверхностные молекулы втягиваются в нее (рис. 1).

^{_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _} - - - - - - газ

жидкость

Рис.1.

· Потенциальная энергия молекул на поверхности раздела фаз выше, чем у молекул внутри фазы.

· Отличия в энергетическом состоянии всех молекул поверхностного слоя характеризуется свободной поверхностной энергией (поверхностной энергией Гиббса) G_s.

· Значение свободной поверхностной энергии зависит от числа молекул, находящихся на поверхности и поэтому прямо пропорционально площади поверхности раздела фаз S_[м²_]и удельной энергии межфазного взаимодействия s: G_s = s × S.

· Удельная энергия межфазного взаимодействия или коэффициент поверхностного натяжения d равен работе необходимой для создания единицы площади поверхности раздела. Размерность s в системе СИ [Дж/м²] или [Н/м].

· С повышением температуры s снижается, так как уменьшается различие в энергии межмолекулярного взаимодействия контактирующих фаз.

· При установлении равновесия свободная поверхностная энергия стремится к минимуму:

G_s min

· Самопроизвольное уменьшение свободной поверхностной энергии DG_s может происходить:

- при уменьшении площади поверхности: DG_s = s × DS;

- при уменьшении коэффициента поверхностного натяжения:

DG_s = Ds × S;

- при одновременном уменьшении обеих величин: DG_s = Ds × DS;

· К самопроизвольным поверхностным явлениям, приводящим к уменьшению площади межфазной поверхности относятся:

- принятие частицами формы, близкой к сферической (капли тумана, эмульсии, пузырьки воздуха) или реже к кубической (кристаллы некоторых металлов, минералов);

- объединение (агрегация) частиц, происходящее путем слияния (коалесценции) капель эмульсии, пузырьков воздуха в пенах.

- агрегация частиц, происходящая путем слипания (коагуляции) частиц в дисперсных системах.

· Изменение структуры поверхностного слоя, происходящее в результате адсорбции на ней молекул поверхностно-активных веществ приводит к уменьшению поверхностного натяжения.