Поверхностные явления

Энергетическое состояние молекул вещества межфазном поверхностном слое и в глубине фазы различно. Молекулярные силы f₁, действующие на молекулу, располо­женную в глубине фазы, проявляются равномерно со стороны соседних молекул. Равнодействующая сила равна нулю вслед­ствие симметрии силового поля (рис.1). Молекулы, находящиеся на границе раздела фаз принадлежат обеим фазам и испытывают действие межмолекулярных сил в большей степени со стороны жидкой фазы f₁, чем со стороны газообразной фазы f₂. Нормальная со­ставляющая результирующей силы, пропорциональной разности сил (f₁ – f₂), направлена внутрь жидкости. Эта сила, отнесен­ная к единице поверхности (к 1 см²), называется внутренним или молекулярным давлением К. Это означает, что межфазная поверхность обладает запасом избыточной энергии по отношению к объему фазы. Этот избыток, отнесенный к единице поверхности (к 1 см²), называется удельной свободной поверхностной энергией или поверхностным натяжением и обозначается буквой σ. σ - поверхностное натяжение, которое характеризует количество избыточной энергии приходящейся на единицу поверхности дисперсной системы. По физическому смыслу, поверхностное натяжение представляет собой работу, которую необходимо затратить для образования единицы поверхности раздела фаз. В соответствии с определением, размерность величины поверхностного натяжения: Дж/м². Тогда, избыточная энергия межфазной поверхности дисперсной системы определяется простым соотношением: G_S = σ·S_1,2 где G_S – энергия Гиббса межфазной поверхности, (Дж); S_1.,2 - площадь межфазном поверхности (м²). Наличие на межфазной поверхности дисперсных систем избыточной энергии, указывает, на принципиальную термодинамическую неустойчивость этих систем, стремящихся тем или иным способам уменьшить величину избыточной энергии. Уменьшение поверхностной энергии может быть реализовано двумя путями: а) за счет самопроизвольного сокращения поверхности раздела фаз; и б) за счет уменьшения величины поверхностного натяжения путем введения в систему поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поверхностно-активны­ми веществами являются органические соединения, в молеку­лы которых входят одновременно и полярная группа (напри­мер, ОН, СООН, NH₂) и неполярная углеводородная цепь. Примерами таких соединений могут служить одноосновные жирные кислоты и одноатомные спирты. Молекулы поверхностно-активного вещества, переходя в водный раствор, стремятся выйти на поверхность раздела фаз, собираются там в количестве, большем, чем внутри раствора, концентрируются на поверхности и ориентируются, погружаясь полярными группами в воду, а неполярными углеводородными цепями - в воздух. Это вызвано, тем, что молекулы поверхностно-активных веществ имеют двойственную природу. С одной стороны, полярная группа вызывает сродство молекул поверхностно-активного вещества к полярной фазе (к воде), в которой велика интенсивность действия сил межмолекуляр­ного притяжения. С другой стороны, неполярная углеводород­ная цепь молекулы, не имея почти никакого сродства с водой, имеет сродство либо с жидкими углеводородами, в которых интенсивность действия молекулярных сил невелика, либо с газообразной фазой, в которой их интенсивность ничтожна (поэтому газ или пар при малых давлениях можно условно считать неполярной фазой). В связи с этим молекулы поверхностно-активного вещества стремятся на поверхность раздела фаз, так как здесь обе группы молекул расположатся со­ответственно своей природе: одна группа (полярная) будет погруже­на в полярную фазу, другая (угле­водородная) - в неполярную. Молекулы поверхностно-активного вещества называют дифильными, т. е. обладающими двойным сродством - одновре­менно и с полярной и с неполярной фазой. Концентрируясь на поверхности раздела фаз, дифильные молекулы (например, молекулы бутилового спирта) покрыва­ют поверхность раствора слоем толщиной в одну молекулу; по­верхностное натяжение воды при этом уменьшается, так как сам бутиловый спирт обладает значительно меньшим поверх­ностным натяжением, чем чистая вода. Таким образом, поверхностное натяжение воды понижается в результате концентрирования дифильных молекул на поверх­ности воды (на границе раздела воды с собственным паром).