Свободная поверхностная энергия

⇐ ПредыдущаяСтр 88 из 115Следующая ⇒

Всякая поверхность раздела фаз сильно отличается по физико-химическим свойствам от обеих соприкасающихся фаз. Возьмем две соприкасающиеся фазы: газ и жидкость, рассмотрим поведение молекул жидкости внутри объема и на поверхности (рис. 9.3).

Между молекулами существует межмолекулярное взаимодействие. Если молекула находится внутри, она испытывает притяжение со стороны всех соседних молекул.

Рис. 9.3. Действие межмолекулярных сил в объеме и на поверхности

Равнодействующая всех этих сил равна 0. Молекула, находящаяся на поверхности, испытывает притяжение только внутренних молекул (газ из-за своей разряженности взаимодействует слабо), равнодействующая этих сил направлена внутрь тела, т.е. явно выражено стремление к втягиванию поверхностных молекул внутрь тела, поверхность тела как бы находится в натянутом состоянии и стремится к своему сокращению. Поскольку действие сил на поверхностные молекулы не скомпенсировано, такие молекулы обладают свободной поверхностной энергией. Дадим определение.

Свободная поверхностная энергия – это избыток энергии молекул поверхностного слоя по сравнению с молекулами, находящимися внутри DE = E* – E_ср.

Эта энергия зависит от природы вещества соприкасающихся фаз, от температуры и площади раздела фаз.

F_s = sS,

где F_s – свободная поверхностная энергия, Дж;

S – площадь раздела фаз, м²;

s – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения (или просто поверхностное натяжение), Дж/м².

Как известно, любая система стремится к минимуму энергии. Чтобы уменьшить свободную поверхностную энергию (F_s = sS) у системы есть два пути: уменьшить поверхностное натяжение s или

площадь поверхности раздела фаз S.

Уменьшение s происходит при адсорбции веществ на твердых и жидких поверхностях (это является движущей силой адсорбции), при растекании одной жидкости по другой.

Стремление к уменьшению площади поверхности S приводит к слиянию частиц дисперсной фазы, к их укрупнению (при этом удельная поверхность сокращается), т.е. в этом кроется причина термодинамической неустойчивости дисперсных систем.

Стремление жидкости к уменьшению поверхности приводит к тому, что она стремится принять форму шара. Математические расчеты показывают, что наименьшую площадь при постоянном объеме имеет шар, поэтому частицы жидкости принимают шарообразную форму, если только эти капли не расплющиваются под действием силы тяжести. Капли ртути на поверхности приобретают форму шариков. Сферическую форму планет также приписывают действию поверхностных сил.

Поверхностное натяжение

Физический смысл коэффициента поверхностного натяжения (s) можно истолковать с разных точек зрения.

1.Свободная поверхностная энергия (удельная поверхностная энергия)

Из выражения 9.3. следует

[Дж/м²], (9.4)

где F_s – свободная поверхностная энергия, Дж;

S – площадь поверхности раздела фаз, м².

Отсюда следует физический смысл s – это свободная поверхностная энергия молекул поверхностного слоя на площади 1 м² (или на другой единичной площади), т.е. удельная поверхностная энергия.

Чем больше коэффициент s, тем больше величина поверхностной энергии (см. табл. 9.1.).

2. Работа по созданию новой поверхности

Поскольку энергия – это мера работоспособности, то, заменяя F_s на W, получаем:

[Дж/м²], (9.5)

где W – работа по созданию новой поверхности раздела фаз, Дж;

S – площадь поверхности раздела фаз, м².

Из выражения 9.5 следует, что s – это работа, которую надо совершить, чтобы в изотермических условиях увеличить на единицу площадь поверхности раздела фаз при неизменном объеме жидкости (т.е. перенести соответствующее число молекул жидкости из объема в поверхностный слой).

Например, при разбрызгивании жидкости совершается работа, которая переходит в свободную поверхностную энергию (при разбрыз-гивании поверхность раздела фаз многократно увеличивается). Такая же работа затрачивается при дроблении твердых тел.

Так как поверхностное натяжение связано с работой, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей при переводе молекул из объема в поверхностный слой, то очевидно, что поверхностное натяжение является мерилом сил межмолекулярного взаимодействия внутри жидкости. Чем полярнее жидкость, тем сильнее взаимодействие между молекулами, тем сильнее поверхностные молекулы втягиваются внутрь, тем выше значение s.

Из жидкостей наибольшее значение s у воды (см. табл. 9.1.). Это неслучайно, поскольку между молекулами воды образуются достаточно прочные водородные связи. В неполярных углеводородах между молекулами существуют только слабые дисперсионные взаимодействия, поэтому поверхностное натяжение у них небольшое. Еще больше значение s у жидкой ртути. Это свидетельствует о значительном межатомном взаимодействии (и о большой величине свободной поверхностной энергии).

Высоким значением s характеризуются твердые тела.

Поверхностная сила

Есть также силовое толкование поверхностного натяжения. Исходя из размерности коэффициента поверхностного натяжения Дж/м², можно записать

Таким образом, поверхностное натяжение – это поверхностная сила, приложенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность и направленная на сокращение поверхности раздела фаз.

Существование этой силы наглядно иллюстрируется опытом Дюпре. На жесткой проволочной рамке закреплена подвижная перемычка (рис. 9.2). В рамке натянута мыльная пленка (положение 1). Чтобы растянуть эту пленку до положения 2, надо приложить силу F₁, которой противодействует сила поверхностного натяжения F₂. Эта сила направлена вдоль поверхности (по касательной), перпендикулярно к контуру, ограничивающему поверхность. Для пленки на рис. 9.2 роль части контура играет подвижная перемычка.

Рис. 9.2. Опыт Дюпре

Следовательно,

[Н/м], (9.6)

где F – сила, стягивающая контур поверхности, Н;

l – длина контура, м.

Действие поверхностного натяжения можно наглядно представить в виде совокупности сил, стягивающих края поверхности к центру (поэтому эта сила называется поверхностным натяжением). Эти силы изображены на рис. 9.3 стрелками – векторами; длина стрелок отражает величину поверхностного натяжения, а расстояние между ними соответствует единице длины контура.

Рис. 9.3. Действие сил поверхностного натяжения

Таким образом, силы поверхностного натяжения обладают следующими свойствами:

1) равномерно распределены по линии раздела фаз;

2) направлены по касательной к поверхности;

3) направлены перпендикулярно линии раздела фаз;

4) направлены в сторону сокращения поверхности.

Поверхностное натяжение возникает на всех поверхностях раздела фаз. В соответствии с агрегатным состоянием этих фаз введены следующие обозначения:

s_Ж-Г (на границе жидкость – газ)

s_Ж1-Ж2(на границе двух несмешивающихся жидкостей)

s_Т-Г (на границе твердое тело – газ)

s_Т-Ж (на границе твердое тело – жидкость)

Значения коэффициентов поверхностного натяжения некоторых веществ на границе с воздухом и на некоторых межжидкостных границах приведены в табл. 9.3.

Непосредственно экспериментально можно определить поверхност-ное натяжение на границе жидкость – газ и жидкость – жидкость. Методы определения поверхностного натяжения на границе с твердым телом основаны на косвенных измерениях.

Методы определения поверхностного натяжения делятся на три группы: статические, полустатические и динамические.

Статическими методами определяется поверхностное натяжение практически неподвижных поверхностей, образованных задолго до начала измерений и поэтому находящихся в равновесии с объемом жидкости. К этим методам относятся метод капиллярного поднятия и метод лежащей или висящей капли (пузырька).

Динамические методы основаны на том, что некоторые виды механических воздействий на жидкость сопровождаются периодическими растяжениями и сжатиями ее поверхности, на которые влияет поверхностное натяжение. Этими методами определяется неравновесное значение s. К динамическим методам относятся методы капиллярных волн и колеблющейся струи.

Полустатическими называются методы определения поверхностного натяжения границы раздела фаз, возникающей и периодически обновляемой в процессе измерения (метод максимального давления пузырька и сталагмометрический метод), а также методы отрыва кольца и втягивания пластины. Эти методы позволяют определить равновесное значение поверхностного натяжения, если измерения проводятся в таких условиях, что время в течение которого происходит формирование поверхности раздела, значительно больше времени установления равновесия в системе.

Таблица 9.3

Поверхностное натяжение (удельная поверхностная энергия)

некоторых веществ на границе с воздухом (298 К)

Вещество	s, мДж/м²		Вещество	s, мДж/м²
Жидкость		Твердые тела
Гексан	18, 4		Лед (270 К)
Октан	21, 8		Кварц
Этанол	22, 0		MgO
Бензин	25, 0		Алюминий
Бензол	28, 2		Железо
Уксусная кислота	27, 8		Вольфрам
Муравьиная кислота	36, 6		Алмаз
Анилин	43, 2		Полимеры
Вода	71, 95		Политетрафторэтилен	18, 5
Ртуть	473, 5		Полиэтилон	31, 0
Жидкость – жидкость		Полистирол	33, 0
Бензол – вода	34, 4		Поливинилхлорид	40, 0
Анилин – вода	4, 8		Плексиглас	38, 0
Хлороформ – вода	33, 8		Эмаль К-2	31, 7

Метод капиллярного поднятия

Поднятие жидкости в капилляре (если жидкость хорошо смачивает стенки капилляра) обуславливается поверхностным натяжением. Между поверхностным натяжением и высотой поднятия жидкости в капилляре (рис. 9.4) существует следующая зависимость

, (9.7)

где s – поверхностное натяжение; h – высота поднятия столба жидкости; r₂ и r₁ – плотности жидкости и насыщенного пара; g – ускорение свободного падения; q – краевой угол смачивания; r – радиус капилляра.

Для проведения эксперимента необходимы: капилляр диаметром 0, 2-0, 3 мм; сосуд, в который заливается исследуемая жидкость; катетометр для измерения высоты поднятия жидкости (точность ± 1 мкм) и устройство для подсветки мениска.

Наибольшие трудности вызывает измерение краевого угла смачивания q. Поэтому этот метод удобнее всего применять для жидкостей, у которых q = 0⁰.

Рис. 9.4. Поднятие жидкости в капилляре

Это условие соблюдается для воды и многих органических жидкостей. Так как cos 0⁰ = 1, то выражение (9.7) упрощается и может быть использовано для расчета s. Метод капиллярного поднятия – один из самых точных методов определения поверхностного натяжения.

⇐ Предыдущая 83 84 85 86 878889 90 91 92 Следующая ⇒