9.3. Поверхнево-активні речовини. Адсорбція

Розчинення в рідині різних добавок призводить до зміни поверхневого натягу. Це особливо відчутно в тих випадках, коли сили взаємодії між молекулами розчиненої речовини і розчинника суттєво відрізняються від сил взаємодії між молекулами розчинника. Якщо останні більші від попередніх, то молекули розчиненої речовини, слабко взаємодіючи з молекулами розчинника, „виштовхуються” останніми в поверхневий шар. Концентрація молекул розчиненої речовини в поверхневому шарі буде більше від їх концентрації в об'ємі розчину.

Речовини, що накопичуються в поверхневому шарі у разі розчинення їх у рідині, називають поверхнево-активними речовинами, а явище підвищеної концентрації молекул цих речовин в поверхневому шарі розчинника – адсорбцією. Адсорбція молекул газу або рідини може відбуватись також і на поверхні твердого тіла у разі його контакту з газом чи рідиною (наприклад, на поверхні активованого вугілля). Поверхнево-активними речовинами відносно води є різні неорганічні речовини, жирні кислоти, їх солі, спирти, ефіри та ін. Поверхнево-активні речовини майже повністю концентруються в поверхневому шарі розчинника, спричиняючи зменшення поверхневого натягу речовини та збільшення її в’язкості. Збільшення в'язкості викликає збільшення міцності плівки. Цим пояснюється стійкість мильної піни.

Якщо сили взаємодії між молекулами розчиненої речовини і розчинника більші сил взаємодії між молекулами розчинника (наприклад, розчин цукру у воді), то спостерігається зворотне явище – концентрація молекул розчиненої речовини в поверхневому шарі виявляється меншою, ніж у самому об’ємі розчину. Це явище називають негативною адсорбцією.

Поверхнево-активні речовини широко використовуються в техніці різання металів, буріння гірських порід, флотаційних процесів тощо. Накопичуючись на поверхні металу чи гірської породи, молекули поверхнево-активних речовин проникають всередину мікротріщин, сприяючи їх подальшому поширенню в глиб тіла. Тому руйнування твердого тіла за наявності адсорбції відбувається за умови докладання менших зовнішніх зусиль.

9.4. Змочування

Досліди показують, що вільна поверхня рідини біля стінок посудини викривлена (рис. 9.2). Викривлену вільну поверхню рідини називають меніском. Для характеристики меніска вводять поняття крайового кута змочування між змоченою поверхнею стінки та меніском в точках їх перетину.

Якщо (рис 9.2, а), то кажуть, що рідина змочує стінки, якщо (рис.9.2, б), то кажуть, що рідина не змочує стінки.

Викривлення поверхні рідини і поява меніска зумовлені тим, що молекули рідини, що містяться поблизу стінки посудини чи іншого твердого тіла, взаємодіють не тільки між собою, а також з молекулами твердого тіла. Розглянемо довільно вибрану молекулу А (рис 9.3). Її сфера молекулярної дії показана на рисунку пунктиром. Позначимо через сумарну силу притягання молекули А всіма іншими молекулами рідини, а через – силу притяжіння її частинками стінки. Зрозуміло, що сила спрямована перпендикулярно до стінки. Напрямок сили залежить від форми меніска і положення молекули А відносно стінки.

Сила тяжіння, що діє на молекулу, надзвичайно мала порівняно з силами та . Тому можна вважати, що сумарна сила , що діє на молекулу А, дорівнює сумі сил та . Молекула буде перебувати в стані рівноваги лише за умови, що сила спрямована перпендикулярно до поверхні рідини. Напрямок сили залежить від напрямку сили та співвідношення між модулями сил та .

Можливі такі три випадки (рис 9.4):

а) Сила паралельна до поверхні стінки та (рис 9.4 а);

б) Сила спрямована в бік стінки, тобто сили притяжіння молекули А частинками стінки переважають сили її притяжіння молекулами рідини. У цьому випадку меніск рідини увігнутий та , тобто рідина змочує стінку (рис 9.4 б);

в) Сила спрямована в бік рідини, тобто сили притяжіння молекули А молекулами рідини переважають сили її притяжіння частинками стінки. В цьому випадку меніск опуклий та , так що рідина не змочує стінку (рис 9.4 в).

Розглянемо краплю рідини на поверхні твердого тіла в оточенні газу

(рис. 9.5).

На довільно вибрану ділянку лінії дотику між трьома середовищами діють три сили поверхневого натягу, величини яких: , , . Тут , та – коефіцієнти поверхневого натягу при взаємодії рідини з твердим тілом, рідини з газом та твердого тіла з газом. Межа розподілу буде у стані рівноваги, якщо . У проекціях на горизонтальний напрямок (напрямок можливого переміщення межі розподілу фаз) отримаємо: . Очевидно, що: