1 Определение поверхностного натяжения жидкости

1.1 Общие сведения

Поверхностное натяжение относится к группетак называемых поверхностных явлений, которые происходят на границе раздела фаз. К наиболее известным из них можно также отнести адсорбционные явления, адгезионно-когезионные процессы, капилярные явления. По­верхностным натяжением характеризуется повышенная активность молекул поверхностного слоя и в этом смысле поверхностное натяже­ние является фактором интенсивности поверхностной энергии. Из ри­сунка 1 видно, что на молекулы, расположенные внутри жидкости (мо­лекулы В), силы притяжения соседних молекул действуют со всех сто­рон одинаково. В то же время, на молекулы находящиеся на поверхно­сти (молекулы П), силы притяжения действуют не одинаково. Равно действующая этих сил (силаR) направлена вглубь жидкости. В результате жидкость стремится сократить свою поверхность, провоцируя увеличение поверхностного натяжения.

Рис. 1. Силовое взаимодействие молекул

С другой стороны, чтобы увеличить поверхностность жидкости необходимо вывести молекулы жидкости из глубины на поверхность. Для этогонеобходимо совершить работу численно равную величине поверхностного натяжения. Например, поверхностное натяжение воды составляет 73 Дж\м². Это означает, что нужно затратить количество работы (энергии) в 73 Дж, чтобы увеличить поверхность воды на 1 м². Величина этой работы, отнесенная к единице образованной поверхно­сти, называется поверхностным натяжением или коэффициентом по­верхностного натяжения и может быть определена по формуле:

(1)

-где - изменение энергии поверхностного слоя жидкости (энергии Гиббса) при изменении площади свободной поверхности жидкости ∆П.

Поверхностное натяжение жидкости зачастую определяют по от­ношению к границе газовой фазы (воздуху). Из-за несимметричности силовых полей на границе раздела между жидкой и газовой фазами (см. рис.1) энергия Гиббса на поверхности раздела выше, чем в объеме фаз. Из второго закона термодинамики следует, что любые процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса, протекают самопроизвольно. Поэтому жидкая фаза стремится принять такую форму, в которой удельная поверхность минимальна. Например, капля жидкости принимает сферическую форму, в которой отношение вели­чины поверхности к величине объема минимальное. Любые процессы, ведущие к уменьшению поверхностного натяжения, являются само­произвольными Отдельные капли жидкости при соприкосновении сливаются в более крупные, потому что при одинаковом объеме по­верхность крупной капли меньше, чем нескольких мелких капель в сумме. А уменьшение площади поверхности ведет к уменьшению энергии Гиббса и следовательно уменьшению поверхностного натяже­ния.

Поверхностное натяжение зависит от различных факторов:

• от природы самих жидкостей (см. табл. 1);

-от температуры жидкости (с ростом температуры поверхностное натяжение жидкости уменьшается, а при критической температуре равно нулю);

• от примесей, растворенных в жидкости (растворенные в жидко­сти вещества способны как понижать, так и повышать поверхностное натяжение).

Поверхностное натяжение в жидкости можно измерить сравни­тельно легко, а для твердых тел измерение поверхностного натяжения связано со значительными трудностями и, как правило, определяется косвенными методами.

Таблица 1 Поверхностное натяжение веществ в жидком состоянии

Вещество	Температура измерения, К	10-3 Н/м	Дж/м2
Спирт (этиловый)	293		21,6
Вода	293	73	72,75
Ртуть	293	480	485
Железо	1808	1800
Шлак синтетический	2023 - 2073	200 -400

Повышение температуры вызывая увеличение кинетической энергии молекул приводит к ослаблению сил взаимного притяжения молекул как внутри фазы, так и на границе раздела. Поэтому при по­вышении температуры поверхностное натяжение уменьшается. Это уменьшение поверхностного натяжения при постоянном давлении в широком интервале температур происходит по линейному закону

𝜎_Т=𝜎₀-АТ (2)

где 𝜎_Т - поверхностное натяжение при заданной температуре,

𝜎_{0 -} поверхностное натяжение при некотором стандартном со­стоянии.

А-коэффициент

Экстраполируя эту зависимость в область высоких температур, можно найти критическую температуру, при которой 𝜎_Т=0. В этих условиях жидкая фаза существовать не может, но это те условия, в ко­торых начинается процесс возникновения поверхностного натяжения и, используя которые, можно определить коэффициент А. 𝜎_Т=0 в уравнение (2) определяет коэффициент в виде А=𝜎/Т, а с учетом𝜎=∆G (см. уравнение 1).

Если сравнить полученное выражение с выражением изменения энтропии (∆s) через изменение энергии Гиббса (∆G)

нетрудно убедиться, что коэффициент А в уравнении (2) есть измене­ние энтропии при образовании единицы площади поверхности однокомпонентной жидкой фазы. Введение нового компонента в жидкость изменяет поверхностное натяжение. В зависимости от характера взаимодействия растворенного веще­ства с растворителем концентрация растворенного вещества может быть в поверхностном слое выше, чем в глубинных слоях и наоборот. В первом случае растворенное вещество называется поверхностно- активным веществом (ПАВ). Во втором случае - поверхностно неак­тивным веществом. Для описания этих явлений используют величину Г, называемую адсорбцией, которая показывает наличие избытка растворенного вещества в поверхностном слое раствора.

Качественная связь между адсорбцией (Г), поверхностным натяжением (𝜎) и концентрацией растворенного вещества (с) описывается уравнением Гиббса

T (3)

где R-газовая постоянная

Т - абсолютная температура

- мера поверхностной активности

При введении ПАВ поверхностное натяжение (𝜎) жидкости уменьшается с увеличением концентрации (с) этого поверхностно активного вещества. Из уравнения Гиббса очевидно, что отношение𝜕𝜎/𝜕c будет величиной отрицательной, т.к. приращение величины поверхно­стного натяжения в этом случае отрицательное, а приращение величи­ны концентрации растворенного вещества положительное. В целом, с учетом знака «минус» адсорбция «Г» по уравнению (3) получается ве­личиной положительной, т.е. Г>0.

Если расписать уравнение (3) по отношению к поверхностному натяжению и считать, что процесс растворения протекает при постоян­ной температуреи постоянном давлении, получим

(4)

После интегрирования уравнение (4) буден выглядеть

𝜎=А+В ln c (5)

где А и В – коэффициенты регрессии, которые можно найти методом наименьших квадратов, используя экспериментальные данные.

Для определения поверхностного натяжения жидкости существует несколько методов. В лабораторной работе используется наиболее распространенный классический метод – метод наибольшего давления газовых пузырьков, образующихся в жидкости непосредственно под поверхностью. Метод определения реализуется на установке, являющейся прототипом известного прибора Ребиндера и представленной на рис.2:

Рис.2. Схема экспериментальной установки