Поверхностно-активные вещества

Поверхностное натяжение растворов отличается от поверхностного натяжения чистых жидкостей. Например, для воды сахар повышает поверхностное натяжение, а поваренная соль (и другие электролиты) – его понижают. Вещества, которые в самой малой концентрации значительно снижают поверхностное натяжение, называются поверхностно-активными.

Поверхностно-активными, как правило, являются вещества, способные адсорбироваться на поверхности жидкости, образуя мономолекулярный слой, в котором действуют молекулярные силы, отличные от чистой жидкости. Адсорбционные силы, вытесняющие молекулы поверхностно-активного вещества на поверхность растворителя противодействуют силам, втягивающим молекулы растворителя в глубину жидкости, которые и создают поверхностное натяжение. Поэтому последнее значительно снижается.

Поверхностно-активные вещества не только широко применяются в различных производствах в качестве моющих средств, эмульгаторов, пенообразователей и т.п., но и имеют большое значение в биологических процессах, особенно на клеточном и молекулярном уровнях, где процессы происходят на границе раздела различных сред. Поверхностно-активные вещества содержатся как в соках растений, так и во многих жидких средах животных организмов.

Смачивание и несмачивание. Мениски

Молекулярные силы притяжения действуют не только между молекулами жидкости, но и между молекулами жидкости и твердого тела, которое с ней соприкасается.

Если силы притяжения молекул жидкости к молекулам твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, то прилежащие к твердому телу частицы жидкости пристают (прилипают) к его поверхности. Это явление называется смачиванием, а жидкость – смачивающей. Поверхность твердого тела в этом случае называется гидрофильной.

Кривизна поверхности жидкости характеризуется углом  между касательными к поверхностям жидкости и твердого тела, построенным внутри жидкости. Угол  называется краевым углом жидкости. Для смачивающей жидкости краевой угол острый, он изменяется в пределах 0/2. Если =0, то смачивание полное (идеальное), в остальных случаях – неполное. Капля смачивающей жидкости на горизонтальной поверхности твердого тела растекается (рис. 4а) и при полном смачивании покрывает ее тонким мономолекулярным слоем.

а)	б)
Рис. 4. Явление смачивания (а) и несмачивания (б) жидкостью твердого тела

Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами жидкости, то жидкость называется несмачивающей, а поверхность твердого тела – гидрофобной.

В этом случае молекулы жидкости не прилипают к поверхности твердого тела, а краевой угол  тупой (/2). При = – полная несмачиваемость. Капля несмачивающей жидкости на горизонтальной поверхности имеет форму приплюснутой сферы. Одна и та же жидкость смачивает одни тела и не смачивает другие. Например, вода смачивает стекло и не смачивает жиры. Ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистую поверхность железа. Почва, древесина и кора, обезжиренные волокна льна, пеньки, шерсти смачиваются водой, жиры и смолы – водными растворами щелочей и др.

Криволинейные поверхности, которые имеют смачивающие и несмачивающие жидкости в узких круглых трубках, называются менисками. При смачивании мениск вогнутый, при несмачивании – выпуклый.

Под криволинейной поверхностью мениска сила поверхностного натяжения, стремящаяся сократить эту поверхность, создает давление Δр_м дополнительное к давлению р, действующему снаружи на жидкость (рис. 5а). Это давление зависит от коэффициента поверхностного натяжения и кривизны поверхности. При выпуклом мениске оно направлено внутрь жидкости и складывается с внешним давлением р. Давление в жидкости р_ж = р + Δр_м.

При вогнутом мениске это давление направлено наружу (рис. 5б) и вычитается из внешнего давления Р на жидкость: р_ж = р – Δр_м.

	а)	б)
Рис. 5. Виды менисков, формирование менискового давления (а – несмачивающая жидкость, б – смачивающая жидкость)

Величина дополнительного давления при полном смачивании и мениске в виде полусферы радиуса r_м определяется как отношение силы поверхностного натяжения, действующей по периметру основания полусферы к его площади:

;

;

;

.

–формула Лапласа.