ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЩЕСТВ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ НА ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ
ВЕЩЕСТВ НА ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ
Филимонов А.С., Кучер М.И., Френкель Е.Э.
Вольский военный институт материального обеспечения,
Вольск Саратовской обл., Россия
STUDY OF INFLUENCE OF SURFACTANTS ON SURFACE TENSION
LIQUIDS
Filimonov A.S., Kucher M.I., Frenkel E Е.
The Logistics Military Institute
Volsk Saratov region., Russia
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 каналахкапиллярах 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.