1. Свободная поверхностная энергия, поверхностное натяжение

Причиной поверхностных явлений служит особое энергетическое состояние молекул в слоях жидкостей и твердых тел, прилегающих к поверхности раздела фаз и находящихся в глубине их объема.

В объеме жидкости результирующая сила действия на молекулу равна нулю. В поверхностном слое межмолекулярные силы не уравновешиваются и их равнодействующая не равна нулю. Кроме того молекулы поверхностного слоя находятся под действием газовой фазы, поэтому молекулы на поверхности стремятся «втянуться» внутрь – поверхность раздела стремится к уменьшению (рис.1.).

газ

жидкость

Рис. 1. Возникновение поверхностной энергии

Следовательно, потенциальная энергия молекул на поверхности раздела фаз выше, чем у молекул внутри фазы. Эти отличия в энергетическом состоянии всех молекул поверхностного слоя характеризуются свободной поверхностной энергией (G_s), которая является энергией межмолекулярного взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз с частицами каждой из контактирующих фаз.

G_s = s

где  – удельная свободная поверхностная энергия (коэффициент поверхностного натяжения), Дж/м², Н/м; s – площадь поверхности раздела фаз.

С вободная поверхностная энергия (G_s) – термодинамический параметр, характеризующий энергию межмолекулярного взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз с частицами каждой из контактирующих фаз.

П оверхностное натяжение (σ) – это поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхности (Дж/м², Н/м).

=

Величина поверхностного натяжения зависит от:

• природы соприкасающихся фаз;

• природы и концентрации растворенных веществ;

• температуры.

Самопроизвольно протекают процессы, которые сопровождаются уменьшением свободной энергии Гиббса. Так как G_S – это произведение величины поверхностного натяжения на величину межфазной поверхности, то уменьшение G_S произойдет, соответственно, при уменьшении множителей  и s , т.е. поверхностного натяжения и площади межфазной поверхности раздела.

Поверхностное натяжение можно снизить за счет адсорбции, адгезиии, а площадь межфазной поверхности уменьшается при коалесценции (например, слияние капелек жира на поверхности воды), при коагуляции (объединение более мелких частиц в агрегаты).

2. Смачивание, адгезия, когезия

Поверхностное натяжение и межмолекулярные взаимодействия внутри фаз обусловливают процессы смачивания, растекания капли жидкости на твердых и жидких поверхностях, а также явления когезии и адгезии.

С мачивание – поверхностное явление, которое наблюдается при контакте жидкости с твердым телом в присутствии третьей фазы – газа (пара) или другой жидкости, которая не смешивается с первой.

Смачивание влияет на ход многих процессов в природе, медицине, технике, так как служит начальной стадией взаимодействия жидкостей с твердыми телами.

Количественной мерой процесса смачивания служит краевой угол смачивания (тэта, ), значения которого могут изменяться от 0 до 180^о.

Если на твердую поверхность нанести каплю жидкости, то возможны три случая:

1) капля растекается по поверхности, краевого угла нет, например, ртуть на поверхности цинка;

2) капля остается в виде шарика, 180  90 (рис. 2 б), например, вода на парафине;

3) капля растекается лишь частично, образуя с поверхностью некоторый краевой угол 90   0, (рис. 2 а), например, вода на металле, покрытом оксидной пленкой.

Рис. 2. Краевые углы смачивания:

а – смачивающая жидкость; б – несмачивающая жидкость

Твердые поверхности, хорошо смачиваемые водой, называются гидрофильными (силикагель, глины, пористые стекла и др.), а несмачиваемые – гидрофобными (сажа, активированный уголь).

Если угол смачивания определить затруднительно, то для количественной характеристики процесса смачивания используют теплоту смачивания (Q_см, Дж/м², Дж/кг), которая выделяется при погружении твердого тела в жидкость. Для гидрофильных поверхностей теплота смачивания водой больше, чем органическими жидкостями, для гидрофобных поверхностей – обратная зависимость.

Чем выше полярность жидкости, тем слабее ее смачивающие свойства: высокополярная ртуть смачивает только некоторые металлы, вода смачивает поверхности многих полярных веществ, органические жидкости (спирты, бензол и др.) смачивают практически любую поверхность.

Адгезия и смачивание, как правило, сопровождают друг друга: адгезия обуславливает связь между твердым телом и контактирующей с ним жидкостью, а смачивание – результат этой связи.

Адгезия является причиной склеивания двух разных веществ за счет действия физических или химических межмолекулярных сил.

А дгезия – это поверхностное явление, которое заключается в возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных (твердых или жидких) тел (фаз), приведенных в соприкосновение.

К огезия – сцепление однородных молекул, атомов или ионов, которое включает все виды межмолекулярного и межатомного притяжения внутри одной фазы.

Когезия определяет существование веществ в конденсированном (твердом и жидком) состоянии. Для твердых тел и жидкостей характерна высокая когезия, а для газов – малая когезия.

Количественно когезию и адгезию характеризуют величиной работы когезии (Wс) и работы адгезии (Wа).

Работа когезии равна энергии, которую нужно затратить на разрыв сил сцепления между молекулами данной фазы.

Численно Wс = 2 (Дж/м²), где  - поверхностное натяжение разрываемого вещества на границе с воздухом.

Работа адгезии (Дж/м²) – это работа, затрачиваемая на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы. Работа адгезии тем больше, чем больше поверхностное натяжение каждой из фаз на границе с воздухом и чем меньше поверхностное натяжение на границе раздела соприкасающихся фаз. По величине Wа можно судить о прочности склеивания, прилипания.

Адгезийная прочность зависит от следующих факторов:

• энергии связи;

• полноты контакта;

• рельефа поверхности;

• условий формирования контакта.

На явлении адгезии основано действие клеев, применяемых в медицине, пломбировочных материалов и связующих веществ, используемых в стоматологической практике.

Адгезия происходит при повреждении стенки кровеносных сосудов, на поверхности тромбоцитов, что запускает механизм свертывания крови. Адгезия является промежуточным этапом многих межклеточных контактов: макрофага и поврежденной клетки, сперматозоида и яйцеклетки и др.

Явления когезии и адгезии играют важную роль во многих технологических процессах, в частности в технологии лекарств. Когезия и адгезия влияют на взаимодействие компонентов в сложных лекарственных формах, на разрушаемость таблеток, прочность покрытия их оболочками, на процессы растворения и, в конечном итоге, на эффективность терапевтического действия.