1.1. Природа поверхностной энергии

Поверхностный слой, возникающий на границе раздела различных фаз, согласно Гиббсу, представляет собой промежуточную фазу толщиной всего в несколько молекулярных диаметров. В ряде случаев поверхностный слой имеет толщину, примерно равную диаметру молекулы, и в этом случае его называют мономолекулярным.

Поверхностными явлениями называют процессы, происходящие на границе раздела фаз и обусловленные особенностями состава и строения поверхностного слоя.

Молекулы, атомы, ионы, находящиеся на поверхности раздела фаз, не равноценны по своему положению таким же частицам, находящимся в глубине фазы. Удобно рассмотреть в качестве примера систему, состоящую из жидкости и газа.

Рис. 1 Схема возникновения поверхностной энергии

Молекула А (рис. 1) внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами. Силы взаимодействия при этом взаимно уравновешиваются, равнодействующая равна нулю. У поверхностных молекул силы, действующие со стороны жидкой и газообразной фаз, неодинаковы. Молекулярные взаимодействия в вертикальном направлении не уравновешены. Вследствие этого равнодействующая молекулярных сил не равна нулю и направлена вглубь жидкой фазы. Эту силу часто называют внутренним давлением.

Чем сильней различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление. Для жидкостей на границе с воздухом внутреннее давление очень велико, например, для воды р = 14800 атм. Внутреннее давление стремится втянуть молекулу вглубь жидкости.

Чтобы образовать межфазную поверхность, необходимо перевести часть молекул из объема жидкости на поверхность. Для этого надо совершить работу против внутреннего давления. Очевидно, что чем оно больше, тем больше энергии требуется затратить. Эта энергия сосредотачивается в молекулах, находящихся на поверхности, и называется свободной поверхностной энергией.

Свободная поверхностная энергия зависит от количества частиц на поверхности раздела, а потому прямо пропорциональна площади раздела фаз и удельной энергии межфазной поверхности.

F = σ · S при V, T – const

G = σ · S при p, T – const

где σ - удельная свободная поверхностная энергия, которая равна работе, которую надо совершить, чтобы увеличить площадь межфазной поверхности на единицу. Она зависит от природы контактирующих фаз и температуры.

В зависимости от агрегатного состояния контактирующих фаз различают поверхностные явления для подвижной и неподвижной поверхности раздела. В системах газ-жидкость и жидкость-жидкость поверхность раздела подвижна, так как частицы поверхности раздела постоянно обновляются вследствие теплового движения молекул каждой фазы.

Удельную свободную поверхностную энергию для подвижных поверхностей раздела фаз называют коэффициентом поверхностного натяжения и обозначают σ_г/ж или σ_ж/ж, где [σ] = Дж/м² или (Н·м)/м² = Н/м.

Существуют различные методы экспериментального определения поверхностного натяжения σ.

1. Метод наибольшего давления образования пузырька. Он сводится к измерению давления, при котором пузырек газа проскакивает через воду (р₀), а затем через исследуемую жидкость (р_х)

;

где σ₀ – поверхностное натяжение воды,

σ_х – поверхностное натяжение исследуемой жидкости

2. Метод капиллярного поднятия. В нём измеряется высота h, на которую поднимается жидкость плотностью d по капилляру радиусом r

3. Сталагмометрический метод (метод счета капель). В нем подсчитывается число капель воды n₀, а затем исследуемой жидкости n_х, которые вытекают из одного и того же объема сталагмометра

где σ₀ – поверхностное натяжение воды,

d_х– плотность исследуемой жидкости.

Поверхностное натяжение характеризует различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий соприкасающихся фаз. Чем больше эти различия, тем больше σ. Для границы жидкость – воздух можно пренебречь межмолекулярными взаимодействиями в воздухе, и, значит, поверхностное натяжение характеризует интенсивность межмолекулярных сил в конденсированной фазе. В таблице 1 приведены значения σ некоторых веществ в жидком состоянии на границе с воздухом.

Таблица 1. Поверхностное натяжение на границе с воздухом (t = 20⁰С)

Поверхностное натяжение у различных жидкостей колеблется в значительных пределах (для полярных жидкостей σ больше, чем для неполярных) и зависит от температуры, давления, а для растворов и от концентрации растворенных веществ.

Поверхностное натяжение биологических жидкостей используется в диагностических целях. Так, поверхностное натяжение плазмы крови подвержено значительным колебаниям при различных заболеваниях. С возрастом человека поверхностное натяжение сыворотки крови уменьшается. Поверхностное натяжение играет значительную роль в таких явлениях как деление клеток, фагоцитоз, пиноцитоз, изменение проницаемости клеточных мембран и др.

В системах газ - твердое тело или жидкость - твердое тело поверхность раздела неподвижна. Удельную свободную поверхностную энергию (σ_г/тв, σ_ж/тв) экспериментально определить трудно, но её значение можно оценить по способности твердой поверхности к смачиванию.

Свободная поверхностная энергия при постоянном давлении совпадает с термодинамической функцией - энергией Гиббса, характеризующей состояние поверхности раздела фаз в гетерогенных системах. В соответствии со вторым законом термодинамики, все самопроизвольные процессы происходят в направлении, приводящем к уменьшению энергии Гиббса, поэтому и все поверхностные явления самопроизвольно протекают только в тех случаях, когда свободная поверхностная энергия системы уменьшается (∆G < 0).

Поскольку свободная поверхностная энергия зависит от двух параметров - σ и S, то и все поверхностные явления совершаются самопроизвольно, если при этом снижается удельная свободная поверхностная энергия (∆σ < 0), уменьшается площадь поверхности раздела фаз (∆S < 0), или происходит такое изменение этих величин, чтобы ∆G = ∆σ · ∆S < 0.

К самопроизвольным поверхностным явлениям, которые сопровождаются уменьшением G за счет уменьшения площади поверхности, относятся

коалесценция - слияние капель жидкости или пузырьков газа;

коагуляция - слипание частиц в дисперсных системах.

К самопроизвольным поверхностным явлениям, сопровождающимся уменьшением G за счет снижения удельной свободной поверхностной энергии σ, относится сорбция и её последствия: смачивание, эмульгирование и др.