2.3.1 Измерение поверхностного натяжения

В коллоидных растворах, благодаря наличию большого числа мелкораздробленных частиц, поверхность раздела между твердой и жидкой фазами достигает огромных размеров (сотни квадратных метров). Весьма развитая поверхность раздела обусловливает большой запас поверхностной энергии системы. Избыточную поверхностную энергию, приходящуюся на 1 см² поверхности, называют поверхностным натяжением на границе раздела фаз.

Абсолютное значение поверхностного натяжения должно измеряться в вакууме, но удобнее измерять его в атмосфере паров жидкости или в воздухе. Наиболее широко распространен метод измерения с помощью тензометра Дю Нуйя, в которой измеряется усилие, необходимое для протягивания кольца вдоль поверхности жидкости. Другой метод заключается в измерении высоты, на которую самопроизвольно поднимается жидкость в капиллярной трубке (рисунок 2.4). При равновесии сжимающее усилие на мениске (сила поверхностного натяжения) уравновешивает силу тяжести, действующую на столбик жидкости, поэтому:

π r² g h p =2 π r σ cosθб (2.3)

где: g — ускорение свободного падения;

h — высота столбика в состоянии равновесия;

p — плотность жидкости;

σ — поверхностное натяжение;

θ — краевой угол;

r — радиус капилляра.

Поверхностное натяжение определяется выражением

σ=ghpr(2cosθ) (2.4)

Значения поверхностного натяжения для различных веществ приведены в таблице 2.1.

Уравнение (2.3) можно записать в следующем виде:

ghp=2σcosθ/r (2.5)

где: ghp определяет усилие, поднимающее жидкость по капилляру, и называется капиллярным давлением.

Рисунок 2.4 - Подъем жидкости в капиллярной трубке

Таблица 2.1 – Поверхностное натяжение различных веществ на поверхности раздела с воздухом

Вещество	Температу-ра, 0С	Поверхност-ное натяжение, мН/м	Вещество	Температу-ра, 0С	Поверхностное натяжение мН/м
Вода	0	75,6	Олеиновая кислота	20	32,5
	20	72,7
	50	67,9	Эфир ангидросорбита	25	40,0
	100	58,9
Этиловыйспирт	20	22,3	Алюминий	700	840,0
Гексан	20	18,4	Цинк	590	708,0
Толуол	20	28,4	Тефлон *	—	18,5
Ртуть	15	487,0	Полиэтилен *	—	31,0
Насыщенный раствор хлорида натрия	20	83,0	Эпоксидная смола *	—	47,0
* Критическое поверхностное натяжение при смачивании.

Наличие асимметрии силового поля в поверхностном слое создает возможность ориентированного расположения близлежащих молекул, если они обладают жестким или индуцированным (наведенным) диполем.

Молекулы, имеющие вокруг себя симметрично расположенное поле, не ориентируются и располагаются на поверхности любой своей стороной.

Молекулы большинства поверхностно-активных веществ (алифатических спиртов, жирных кислот, мыл и др.) имеют асимметричное строение. Одна часть их состоит из углеводородных радикалов, а другая содержит функциональные группы -ОН, -СООН, -СОН, -NН₂ и др.

Полярные (поверхностно-активные) вещества в поверхностном слое воды расположены так, что полярные группы направлены в сторону дисперсионной среды (полярная жидкость), а неполярные, углеводородные радикалы, располагаются в воздухе (неполярная фаза). Такое расположение отве­чает минимуму свободной поверхностной энергии, т.е. энергетически наиболее выгодно.