VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Среди процессов, которые можно объяснить с помощью поверхностного натяжения и смачивания жидкостей, стоит особо выделить капиллярные явления. Капиллярные явления имеют большое практическое применение в технике и повседневной жизни. Действительно, нас окружает много тел, которые легко впитывают жидкость. Причина этому – их пористая структура, а результат – капиллярные явления. Капилляром называют узкую трубку, радиус которой много меньше её длины, в которой жидкость ведёт себя особым образом. Примеров таких сосудов, подобных капилляру, много в природе – это капилляры кровеносной системы организма человека, пористых тел, почвы, растений, продуктов питания и многое другое.

Капиллярным явлением называется подъём или опускание жидкостей по узким трубкам. Такие процессы наблюдаются в естественных каналах-капиллярах организма человека, растений и других тел, а также в специальных узких сосудах, изготовленных, например, из стекла. Поведение жидкости в капилляре объясняется поверхностным натяжением. Это явление наблюдается на поверхностях жидкостей и связано с тем, что молекулы на поверхности слабо взаимодействуют с паром жидкости, находящимся над её поверхностью, в то время как молекулы внутри объёма испытывают равные силы притяжения со стороны соседних молекул жидкости. Таким образом, эти силы компенсируют друг друга, и их равнодействующая равна нулю. Молекула же, находящаяся на поверхности, испытывает меньшее притяжение со стороны молекул пара и большее – снизу, со стороны объёма жидкости. В итоге равнодействующая сила не равна нулю и направлена вертикально вниз.

Данное явление объясняется при помощи сосредоточенной в поверхностном слое поверхностной энергии жидкости.

Поверхностной энергией называется избыточная потенциальная энергия, которой обладают молекулы поверхностного слоя жидкости по сравнению с их потенциальной энергией внутри остального объёма жидкости.

Чтобы сократить свою потенциальную энергию (всякая система стремится к минимальной потенциальной энергии) жидкость стремится сократить количество молекул на поверхности – то есть сократить свою поверхность насколько возможно, сжаться.

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины периметра смачивания и направленной перпендикулярно этому периметру:

Коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Н/м.

Также коэффициент поверхностного натяжения может быть определён через работу, которую надо совершить, чтобы увеличить поверхность жидкости:

.

Эта работа идёт на увеличение свободной поверхности жидкости, и коэффициент поверхностного натяжения жидкости численно равен потенциальной энергии единицы поверхности плёнки жидкости:

.

Смачиванием называется явление искривления свободной поверхности жидкости у поверхности твёрдого тела вследствие взаимодействия молекул. Чтобы как-то количественно определить смачивание, вводится краевой угол. Краевой угол – это угол, образованный касательными к поверхностям твёрдого тела и жидкости в месте их контакта. Жидкость при этом должна оказаться внутри угла. Если краевой угол острый – то жидкость называется смачивающей твёрдое тело, а если тупой – то несмачивающей. Если краевой угол равен нулю, то смачивание идеальное, угол, равный π, соответствует идеальному несмачиванию.

Различие углов связано с межмолекулярным взаимодействием молекул жидкости и твёрдого тела: если силы притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела больше, чем между молекулами жидкости друг к другу, то жидкость будет смачивающей. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем притягиваются молекулы жидкости к молекулам твёрдого тела – то жидкость будет несмачивающей.

Рисунок 1 – Краевой угол

Из-за смачивания и несмачивания поверхность жидкости искривляется вблизи стенок сосуда, в котором находится жидкость. Если сам сосуд мал (его стенки близко друг к другу), то искривляется вся поверхность жидкости, принимая выпуклую (несмачивание) или вогнутую (смачивание) форму.

Рисунок 2 – Явления смачивания и несмачивания

жидкостями поверхностей в капиллярах

Под действием силы поверхностного натяжения смачивающая жидкость в капиллярах находится выше уровня, на котором она должна находиться согласно закону сообщающихся сосудов. И наоборот, несмачивающая субстанция располагается ниже этого уровня.

Смачивание – явление, которое происходит на границе, где жидкость соприкасается с твёрдым телом (другой жидкостью, газами). Оно возникает по причине особого взаимодействия молекул на границе их контакта. Полное смачивание означает, что капля растекается по поверхности твёрдого тела, а несмачивание преобразует её в сферу. На практике чаще всего встречается та или иная степень смачивания, нежели крайние варианты.

Скорость капиллярного впитывания играет существенную роль в водоснабжении растений, движении жидкости в почвах и др. пористых телах. Капиллярная пропитка – один из распространённых процессов химических технологий. Искривление свободной поверхности жидкости под действием внешних сил, например, ветра, вибраций, вызывает появление и распространение капиллярных волн, так называемой «ряби» на поверхности жидкости. Самопроизвольное образование поверхностных волн – флуктуаций толщины тонких слоёв жидкости (струи, плёнки) – является причиной их неустойчивости по отношению к состоянию капель или капиллярного конденсата.

При добавлении в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит уменьшение силы поверхностного натяжения и за счёт этого происходит уменьшение коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Вещества, при добавлении которых в систему происходит уменьшение поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Поверхностно-инактивными веществами являются неорганические соли, кислоты, основания. К ПАВ относятся спирты, жирные амины, соли карбоновых кислот, алкилсульфаты. Наряду с этими веществами заметное снижение поверхностного натяжения отмечается для таких жидкостей, как глицерин, машинное масло, вазелиновое масло, растительное масло, силиконовое масло, этанол, диэтиловый эфир, диметилфталат, диметилсульфоксид, циклогексан, керосин, скипидар, смесь этанола с водой, раствор мыла в воде, растворы синтетических моющих средств и др. Все они хорошо снижают коэффициент поверхностного натяжения и тем самым увеличивают смачивающие свойства жидкостей.

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Интернет-ресурс: http://www.findpatent.ru/patent/211/2114414.html.

2. Коллоидные поверхностно-активные вещества / пер. с англ.; под ред. А.Б. Таубмана, 3.H. Маркиной. – M., 1966.

3. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение. – 2 изд. – Л., 1981.

4. Поверхностно-активные вещества. Справочник / под ред. А.А. Абрамзона и Г.M. Паевого. – Л., 1979.

5. Сапходоева О.И., Френкель Е.Н. и др. Химия: учеб. пособие / под общ. ред. О.И. Сапходоевой. – Вольск, 2015. – 402 с. – С. 44–49.

6. Успехи коллоидной химии / под ред. И.В. Петрянова-Соколова и К.С. Ахмедова. – Ташкент, 1987.

Код для цитирования: Скопировать