Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение

Жидкое состояние вещества

Тепловое движение молекул жидкости включает и колебательное и поступательное движения. Каждая молекула колеблется около определенной точки равновесия, затем скачкообразно перемещается (в направлении «дырок» в структуре) и занимает новое положение равновесия. Ближний порядок в расположении частиц жидкости обуславливает наличие так называемых «дырок» в структуре, поэтому плотность жидкости меньше плотности соответствующих твердых тел (за исключением воды). С повышением температуры количество пустот в структуре и интенсивность скачкообразного движения частиц жидкости возрастает. Этим обусловлено увеличение текучести жидкости и ее незначительное расширение при повышении температуры.

Свойства жидкости в основном зависят от ее внутреннего давления, т.е. от собственного объема частиц жидкости и от сил взаимодействия между ними.

Большое влияние на свойства жидкостей оказывает полярность их молекул. Молекулы-диполи, имеющие в одной части положительный, а в другой – отрицательный электрический заряд, за счет электростатических сил ориентируются определенным образом. При этом образуются молекулярные агрегаты, называемые ассоциатам и, состоящие из двух и более молекул. Ассоциированные жидкости (вода, спирты, альдегиды и др.) обладают дополнительными свойствами: повышенной теплотой испарения, меньшей летучестью и т.д.

 

Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение

Это одно из характерных физико-химических свойств жидкости. Поверхностный слой жидкости по своим свойствам отличается от внутренних слоев.

 

 

 

 

Силовое поле каждой молекулы внутри жидкости симметрично насыщено и равнодействующая сил притяжения между молекулами равна нулю. Равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю и направлена вниз, т.к. действием молекул газа или пара над поверхностью жидкости можно пренебречь – их концентрация несравнимо меньше, чем в жидкости. Это приводит к тому, что поверхность жидкости стремится сократиться (поэтому поверхность жидкости всегда идеально гладкая, а капля имеет форму шара). Следовательно, поверхностные молекулы обладают по сравнению с внутренними некоторым избытком энергии, который позволяет им противостоять «втягивающему» действию и оставаться на поверхности. Эта избыточная энергия называется свободной поверхностной энергией.

Свободная энергия единицы поверхности (1 м²) называется поверхностным натяжением σ: Поскольку энергия – это мера работоспособности, то σ можно представить как работу, которую необходимо совершить для изотермического увеличения поверхности в 1 м² при условии сохранения объема жидкости (тела) неизменныи.

σ = А/S или G/S,

где А –работа создания поверхности S или G - поверхностная энергия; S – площадь поверхности.

Единицы измерения σ: Дж/м² = н∙м/м² = н/м. Единица н/м соответствует представлению о поверхностном натяжении как о силе, отнесенной к единице длины контура поверхности, направленной вдоль поверхности и стремящейся ее уменьшить.

Так как σ определяется работой создания единицы площади поверхности, которая расходуется на преодоление межмолекулярных связей, то чем прочнее межмолекулярные силы в жидкости, тем больше ее σ. С повышением температуры ослабляются силы взаимного притяжения молекул, поэтому уменьшается и σ.

Таким образом, поверхностное натяжение чистых жидкостей зависит от природы жидкости и от температуры. Зависимость σ от температуры имеет линейный характер.

σ

 

 

t_кр. t

 

Следовательно, есть такая температура, при которой σ = 0, т.е. это та температура, выше которой жидкость не может существовать – это критическая температура.

Поверхностное натяжение растворов зависит не только от природы растворителя, но и от природы и концентрации растворенного вещества. Вещества, значительно снижающие σ растворителя, называются поверхностно-активными (ПАВ), повышающие σ – поверхностно-неактивными (ПНАВ). Для воды ПАВ являются спирты, мыла, белки; ПНАВ – минеральные кислоты, некоторые соли.

Для измерения поверхностного натяжения жидкостей применяются различные методы. Наиболее простым является метод «счета капель» при помощи прибора сталагмометра, который представляет собой пипетку, имеющую две метки. Нижняя часть сталагмометра переходит в капилляр, конец которого утолщен и отшлифован для получения одинаковых капель.

Метод основан на том, что образующаяся на конце капилляра трубки сталагмометра капля удерживается силой поверхностного натяжения. Отрывается капля тогда, когда ее вес становится равен или превысит на бесконечно малую величину силу поверхностного натяжения. Для жидкостей с большим σ отрыв капель затруднен и образующиеся капли будут более крупными, чем у жидкостей с меньшим σ. Число капель n, вытекающих из объема V, для жидкостей с большим поверхностным натяжением будет меньше, чем для жидкостей с меньшим σ.

Сталагмометр заполняют исследуемой жидкостью и считают число капель n, вытекающих из объема V, заключенного между метками. Затем заполняют сталагмометр дистиллированной водой и считают число капель n₀. Расчет поверхностного натяжения исследуемой жидкости σ проводят по формуле:

σ = σ₀∙ρ∙n₀/ ρ_о∙n,

где σ₀ – поверхностное натяжение дистиллированной воды; ρ и ρ₀ – плотность исследуемой жидкости и воды соответственно.

Измерение поверхностного натяжения методом наибольшего давления пузырьков проводят с помощью прибора Ребиндера. Основная часть прибора – это толстостенный капилляр, конец которого касается поверхности исследуемой жидкости в пробирке. В пробирке создается разряжение, при определенной величине которого из капилляра через жидкость проскакивает пузырек воздуха. Разность между атмосферным давлением и давлением внутри пробирки в момент проскока пузырька пропорциональна поверхностному натяжению. Эту разность измеряют с помощью наклонного манометра. Для исследуемой жидкости и жидкости с известным значением σ₀ (дистиллированной воды) выполняется соотношение:

σ/σ₀ = h/h₀, где h и h₀ – высота подъема жидкости в трубке наклонного манометра.

Поверхностное натяжение влияет на способность жидкостей смачивать поверхности твердых тел. Поверхностным натяжением определяется капиллярное впитывание, лежащее в основе процессов пропитывания пористых материалов; миграции влаги в почве и ее доступность растениям. Размер капель распыляемой жидкости и размер пузырьков газа, продуваемого через жидкость, связаны с поверхностным натяжением. Процесс вспенивания, т.е. образования большого количества новых поверхностных пленок жидкости, также зависит от величины σ.