Поверхнево активні речовини

Поверхневий натяг розчинів відрізняється від поверхневого натягу чистих рідин. Наприклад, для води цукор підвищує поверхневий натяг, а кухонна сіль (і інші електроліти) - його знижують. Речовини, які в найменшій концентрації значно знижують поверхневий натяг, називаються поверхнево-активними.

Поверхнево-активними, як правило, є речовини, здатні адсорбуватися на поверхні рідини, утворюючи мономолекулярний шар, в якому діють молекулярні сили, відмінні від чистої рідини. Адсорбційні сили, що витісняють молекули поверхнево-активної речовини на поверхню розчинника протидіють силам, втягує молекули розчинника в глибину рідини, які і створюють поверхневий натяг. Тому останнім значно знижується.

Поверхнево-активні речовини не тільки широко застосовуються в різних виробництвах в якості миючих засобів, емульгаторів, піноутворювачів і т.п. але і мають велике значення в біологічних процесах, особливо на клітинному і молекулярному рівнях, де процеси відбуваються на межі поділу різних середовищ. Поверхнево-активні речовини містяться як в соках рослин, так і в багатьох рідких середовищах тваринних організмів.

Змочування і незмочування. меніски

Молекулярні сили тяжіння діють не тільки між молекулами рідини, але і між молекулами рідини і твердого тіла, яке з нею стикається.

Якщо сили тяжіння молекул рідини до молекул твердого тіла більше, ніж між молекулами самої рідини, то прилеглі до твердого тіла частинки рідини пристають (прилипають) до його поверхні. Це явище називається змочуванням. а рідина - смачивающей. Поверхня твердого тіла в цьому випадку називається гідрофільної.

Кривизна поверхні рідини характеризується кутом  між дотичними до поверхонь рідини і твердого тіла, побудованим усередині рідини. Кут  називається крайовим кутом рідини. Для смачивающей рідини крайової кут гострий, він змінюється в межах 0 / 2. Якщо  = 0, то змочування повне (ідеальне), в інших випадках - неповне. Крапля смачивающей рідини на горизонтальній поверхні твердого тіла розтікається (рис. 4а) і при повному змочуванні покриває її тонким мономолекулярним шаром.

Мал. 4. Явище змочування (а) і несмачіванія (б) рідиною твердого тіла

Якщо сили тяжіння між молекулами рідини і твердого тіла менше, ніж між молекулами рідини, то рідина називається несмачіваемих. а поверхня твердого тіла - гидрофобной.

В цьому випадку молекули рідини не прилипають до поверхні твердого тіла, а крайовий кут  тупий ( / 2). При  =  - повна несмачиваемость. Крапля несмачіваемих рідини на горизонтальній поверхні має форму плескатої сфери. Одна і та ж рідина змочує одні тіла і не змочує інші. Наприклад, вода змочує скло і не змочує жири. Вмістртутіукомпактних змочує скло, але змочує чисту поверхню заліза. Грунт, деревина і кора, знежирені волокна льону, пеньки, вовни змочуються водою, жири та смоли - водними розчинами лугів і ін.

Криволінійні поверхні, які мають змочуючі і несмачіваемих рідини у вузьких круглих трубках, називаються менисками. При змочуванні меніск увігнутий. при несмачіванія - опуклий.

Під криволінійною поверхнею меніска сила поверхневого натягу, яка прагне скоротити цю поверхню, створює тиск Δрм додаткове до тиску р, чинному зовні на рідину (рис. 5а). Це тиск залежить від коефіцієнта поверхневого натягу і кривизни поверхні. При опуклому меніску воно спрямоване всередину рідини і складається з зовнішнім тиском р. Тиск в рідині рж = р + Δрм.

При увігнутому меніску це тиск направлено назовні (рис. 5б) і віднімається з зовнішнього тиску Р на рідину: рж = р - Δрм.

Мал. 5. Види менісків, формування менісковий тиску

(А - незмочувальна рідина, б - змочувальна рідина)

Величина додаткового тиску при повному змочуванні і меніску в вигляді півсфери радіуса Rм визначається як відношення сили поверхневого натягу, що діє по периметру підстави півсфери до його площі:

;

;

;