2. Поверхневий натяг

Поверхневий натяг– це енергія утворення одиниці поверхні. Чисельно він дорівнює роботіW, яку необхідно виконати для розриву стовпчика конденсованої речовини з площею поперечного перерізу в½одиниці площіS, тому що утворюються дві поверхні, або поверхневий натяг, це відношення силиF, що діє по дотичній до поверхні, до довжини периметраlцієї поверхні.

 = W/S = F ⁄ l [Дж⁄м²], [H⁄м]

Поверхневий натяг-це часткова похідна від будь-якого термодинамічного потенціалу системи по площі міжфазної поверхні при відповідних постійних параметрах системи.

( 2.0)

Введемо поняття питомої енергії Гіббса поверхні - G_S, це енергія Гіббса одиниці поверхні. Тоді енергія Гіббса поверхні з площеюSдорівнює:

G = G_S ·S ( 2.0)

Після диференціювання одержуємо:

dG = dG_S ·S + G_S ·dS; ( 2.0)

( 2.0)

Для індивідуальних речовин питома енергія Гіббса поверхні не змінюється зі зміною площі поверхні (∂G_S/∂S)=0, тому поверхневий натяг дорівнює питомій енергії Гіббса поверхні.

 = G_S ( 2.0)

Для розчинів G_S = f(S)iG_S ≠ 

Поверхневий натяг рідин є однаковий у будь-якій точці , у той час , як поверхневий натяг твердих тіл залежить від кристалічної решітки, форми поверхні і є параметром усереднення.

Значення поверхневого натягу для різних речовин наведено в табл.2.

Таблиця 2

Поверхневий натяг деяких речовин на межі з повітрям при 298к.

Речовина	, мДж/м2	Речовина	, мДж/м2
Гексан	17,9	Вода	71,95
Етанол	22,1	Ртуть	473,5
Аміак (р)	24,25	кварцове скло (тв)	740
Чотирихлористий вуглець	25,02	Алюміній (тв)	1909
Бензол	28,2	Залізо (тв)	3959
Мурашина кислота	36,6	Вольфрам (тв)	6814
Анілін	43,2	Алмаз	11400

3. Методи визначення поверхневого натягу

1. Метод капілярного підняття (метод Жюрена).

Рис. 4. Піднімання або опускання рідини в капілярі.

Метод полягає у визначенні висоти на яку піднімається або опускається рідина в капілярі та подальшому розрахунку поверхневого натягу за рівнянням Жюрена:

, де ( 2.0)

h– висота на яку піднімається або опускається рідина в капілярі;

 - кут змочування;

r– радіус капіляра;

g- прискорення сили тяжіння;

, ₀- густина рідини і повітря.

Приклад 2.1

Чому дорівнює поверхневий натяг бензолу, якщо він піднімається на 0,0367м в трубці радіусом 1,84∙10^-4м; густина бензолу 880 кг/м³, густиною повітря можна нехтувати.

Поверхневий натяг при умові, що крайовий кут змочування дорівнює нулю, можна визначити за рівнянням

 = (880∙9,81∙1,84∙10^-4∙0,0367)/2 = 29,2 мДж/м²

2. Метод максимального тиску в бульбашці (метод Ребіндера)

Рис. 5. Визначення поверхневого натягу методом Ребіндера (а) і Траубе (б)

Надлишковий тиск при якому відбувається відрив бульбашки від капіляра зануреного у рідину дорівнює:

р=2/r( 2.0)

Використавши це рівняння можна знаючи значення тиску та радіуса бульбашки можна розрахувати значення поверхневого натягу, але досить важко виміряти радіус бульбашки в момент відриву від капіляра. Тому в цьому методі визначають при якому значенні тиску відривається бульбашка в рідині з відомим значенням поверхневого натягу, і рідині з невідомим значення поверхневого натягу. Між цими параметрами існує співвідношення:

_x/_o=p_x/p_o , де ( 2.0)

_x , _o– невідоме і відоме значення поверхневого натягу;

p_x, p_o - тиск відриву бульбашки для рідини з невідомим і відомим поверхневим натягом.

Приклад 2.2

Обчисліть поверхневий натяг розчину масляної кислоти за методом Ребіндера, якщо тиск бульбашки при проскакуванні її через воду дорівнює 1,23 кПа, а через розчин масляної кислоти 1,01 кПа. Поверхневий натяг води при температурі досліду дорівнює 72,75 мН/м.

 = 72,75∙10^-3∙1,01∙10³/1,23∙10³ = 59,7 мН/м