Глава V. Поверхностные явления и адсорбция

§ 1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение

Биологические системы являются гетерогенными, т. е. состоят из нескольких фаз, отделенных друг от друга поверх­ностями раздела.

Свойства молекул в поверхностном слое и в объеме системы существенно различаются между собой. Молекулы, находя­щиеся внутри жидкости, испытывают одинаковое воздействие со всех сторон, в результате силы притяжения компенсируют­ся и их равнодействующая равна нулю. Рассматривая по­верхность раздела между жидкостью и воздухом, можно ви­деть, что молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, испытывают неодинаковое притяжение со стороны жидкой и со стороны газообразной фаз (рис. 39).

П оскольку плотность газа меньше плотности жидкости, то равнодействующая всех сил притяжения будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно к ее поверхности. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находят­ся прд действием силы, стремящейся втянуть их внутрь, т. е. поверхность жидкости всегда стремится сократиться. Этим объясняется шарообразная форма капли (шар имеет мини­мальную поверхность).

Жидкоаь

Всякая поверхность характеризуется запасом энергии, называемой по­верхностной энергией. В эту энергию превращает­ся работа, затрачиваемая на образование поверх­ности раздела. Поверх­ностная энергия F зави-

„ „. „ „ сит от величины поверх-

Рис. 39. Схема действия межмолекуляр- _{НПГГНГ)ГП} „ятяжрния а и

ных сил внутри жидкости и на ее поверх- КОСТНОГО натяжения а и

ности: площади поверхности 5:

/ = молекулы; 2 = сфера действия сил. F = aS. (V.i)

Поверхностное натяжение — это поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхности:

G = FjS.

" Поверхностное натяжение измеряется в ньютонах на метр (Н/м).

Чистые жидкости характеризуются определенными значе­ниями поверхностного натяжения. У полярных жидкостей оно обычно значительно, у неполярных — мало. Для воды о — = 7,3 • 10"²Н/м.

Поверхностное натяжение жидкостей определяется различ­ными методами. Наиболее распространенные из них — методы капиллярного поднятия, отрыва кольца, сталагмометрический и наибольшего давления пузырьков газа (метод Ребиндера).

Поверхностное натяжение твердых тел значительно выше, чем жидкостей, однако оно не поддается непосредственному измерению, его оценивают приближенно косвенными мето­дами .

Из термодинамики известно, что всякая система стремится' ⁴ обладать минимальным запасом энергии. Уменьшения сво­бодной поверхностной энергии гетерогенной системы можно достичь двумя путями: за счет уменьшения либо поверхно­сти раздела фаз, либо поверхностного натяжения.

Для чистых веществ уменьшение свободной поверхностной энергии может происходить только за счет сокращения поверх-, ности, так как поверхностное натяжение зависит от природы \, веществами является величиной постоянной. По этой причине ' -туман, представляющий собой гетерогенную систему, состоя­щую из большого числа мельчайших капель воды, является термодинамически неустойчивой системой. Мелкие капли стремятся объединиться в более крупные, т. е. к уменьшению общей поверхности. В природе это приводит к выпадению осадков.

Другим примером перехода системы в более устойчивое со­стояние является насыщенный раствор с избытком твердой кристаллической фазы. В такой системе самопроизвольно идет процесс растворения мелких кристаллов и рост за их счет более крупных, общая поверхность которых меньше.