3.1.2 Поверхневий натяг

Поверхня рідини прагне скоротитися до мінімальної площі в результаті незрівноважених сил молекулярного притягання на поверхні. Молекули, що лежать на поверхні, втягуються всередину зі сторони молекул, що знаходяться в об’ємі, ніж зі сторони молекул пари, розміщених по другий бік поверхні. Це внутрішнє притягання змушує поверхню скорочуватись. Поверхневим натягом можна пояснити утворення сферичних крапель, підняття води в капілярних трубках і протікання рідини через пористу тверду речовину.

П оверхневий натяг рідини – це сила, яка перешкоджає розтягненню одиниці площі поверхні. Поверхневий натяг можна ілюструвати за допомогою моделі, зображеній на рис. 3.3, де рухома дротина під дією сили F розтягує плівку рідини, подібно до того, як розтягується плівка мильного пухиря на дротяній рамці. Поверхневий натяг обчислюється за формулою

, [Н/м],

де – довжина дротини (м), множник 2 враховує наявність двох поверхонь рідини – передньої і задньої.

З другого боку, якщо загальна поверхня мильної плівки і концентрація мила досить великі, то при опусканні дротини, наприклад, на довжину , поверхня при сталому значенні збільшиться на . Тоді робота, затрачена на утворення нової поверхні та збільшення вільної поверхневої енергії буде дорівнювати

,

а поверхневий натяг

, [Дж/м²].

Таким чином, поверхневий натяг може бути виражений або в одиницях сили на одиницю довжини, або величиною енергії (роботи), що припадає на одиницю площі. В СІ поверхневий натяг виражається в Н/м або Дж/м².

При ізотермічному і зворотному процесі утворення одиниці поверхні вільна поверхнева енергія системи збільшується на величину , а приріст повної поверхневої енергії

,

де – теплота, яка поглинається в процесі утворення поверхні (прихована теплота утворення поверхні).

Поверхневий натяг з ростом температури (внаслідок збільшення теплового руху молекул і притягання міжмолекулярних сил) зменшується, тому .

Застосовуючи рівняння Гіббса-Гельмгольца до поверхні розділу, отримаємо

.

Ц

Т_кр – критична температура

Рисунок 3.4 − Залежність поверхневого натягу  від температури Т

е рівняння показує, що повна поверхнева енергія більша, ніж її вільна енергія , і складається з двох величин: і . Для визначення за цим рівнянням необхідно виміряти поверхневий натяг і знати температурний коефіцієнт .

Для порівняно низьких температур і неасоційованих рідин (наприклад, бензолу) з підвищенням температури σ зменшується практично лінійно аж до критичної температури , при якій (рис. 3.4). При критичній температурі зникає відмінність між граничними фазами. Це відноситься не тільки до систем типу рідина – пара, але й до систем типу рідина – рідина, коли поверхневий натяг зникає при критичній температурі розчинення.

В табл. 3.2 наведені значення поверхневого натягу деяких рідин.

Таблиця 3.2 – Поверхневий натяг деяких рідин на межі з повітрям

Рідина	Хімічна формула	Т, К	, 103 Дж/м2
Азот (рідина)	N2	80	8,27
Аміак (рідина)	NH3	283	24,25
Анілін	C6H5NH2	209	43,2
Бензол	C6H6	298	28,2
Вода	H2O	298	71,95
Гексан	C6H14	298	17,9
Гелій (рідина)	He	3	0,22
Етиловий спирт	C2H5OH	298	22,1
Мурашина кислота	HCOOH	298	36,6
Ртуть	Hg	298	473,5
Сірковуглець	CS2	298	31,5
Тетрахлорметан	CCl4	298	25,02

Як можна бачити з даних цієї таблиці, поверхневий натяг у неполярних рідин (гелій, азот, гексан), які характеризуються слабкими міжмолекулярними зв’язками, є меншим, ніж у полярних рідин, в яких молекули об’єднані в агрегати водневими зв’язками, наприклад, вода.

В табл. 3.3 наведені температурні коефіцієнти деяких рідин.

Таблиця 3.3 − Температурні коефіцієнти поверхневого натягу деяких рідин

Рідина	/Т, Дж/(м2К)	Рідина	/Т, Дж/(м2К)
Анілін	0,1144	Оцтова кислота	0,0850
Ацетон	0,1200	1-Пентанол	0,0868
Бензол	0,1183	Ртуть	0,2330
1-Бутанол	0,0822	Сірковуглець (CS2)	0,1607
Вода	0,1511	Тетрахлорметан	0,1028
Гексан	0,1039	Толуол	0,1145
Гліцерин	0,1282	Циклогексан	0,1321
Етиленгліколь	0,1091

Поверхневий натяг рідини можна виміряти різними методами. Для чистих рідин, які контактують тільки зі своєю насиченою парою або повітрям, значення поверхневого натягу, визначені різними методами, мають відмінності тільки в межах похибки вимірювань. Навпаки, для розчинів значення поверхневого натягу, виміряні різними методами, часто суттєво відрізняються між собою. Така відмінність пояснюється, головним чином, відносною повільністю встановлення рівноваги в поверхневій фазі розчинів. Ця обставина повинна, безумовно, враховуватися при виборі методу та виконанні вимірювань.

Існують дві групи методів вимірювання поверхневого натягу – статичні та динамічні.

♦До статичних методів належать:

1) метод капілярного підняття – базується на вимірюванні висоти підняття або опускання рідини в капілярній трубці або між двома стінками;

2) метод зважування крапель – базується на зважуванні краплі, що падає з циліндричної трубки;

3) метод тиску пухирця – базується на вимірюванні максимального тиску пухирця газу в рідині;

4) метод кільця – базується на вимірюванні сили, необхідної для прямого відривання від поверхні рідини кільця;

5) метод висячої або нерухомої краплі – базується на вимірюванні розмірів кривизни рідинних поверхонь або поверхонь пухирця газу;

6) диференціальний метод Ленгмюра – використовується для тонких нерозчинних плівок на рідинних поверхнях.

♦До динамічних методів належать:

1) метод капілярних хвиль;

2) метод струменя рідини, що коливається;

3) метод визначення швидкості витікання рідини в капілярних трубках.

Найбільш задовільним в усіх відношеннях методом може бути рекомендований метод найбільшого тиску пухирця.