Природа поверхностной энергии

Дисперсные частицы и дисперсионная среда относятся к различным фазам. Система может существовать из разных, фаз только в том случае, если межмолекулярные взаимодействия в граничных фазах различны. Единственной системой, в которой межмолекулярные взаи­модействия отсутствуют, является идеальный газ. Интенсивность молекулярных взаимодействий возрастает при переходе от реальных газов к твердым телам.

Рис. 2.1. Схема возникновения поверхностной энергии

Рассмотрим систему, состоящую из жидкости (фаза 1) и газа (фаза 2). Силы межмолекулярного взаимодействия в жидкости F_1-1 больше сил взаимодействия между молекулами газа F_2-2 Возникает вопрос: какие межмолекулярные взаимодействия реализуются на межфазной поверхности? Молекула А (рис. 2.1) внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами. Силы взаимодействия при этом взаимно уравновешиваются. На молекулу В, находящуюся на межфазной поверхности, с одной стороны действуют молекулы жидкости, а с другой – молекулы газа. Поскольку F_1-1 > F_2-2, возникает результирующая сила Р, направленная в глубь жидкости. Эту силу часто называют внутренним давлением.

P=F_1-1-F_2-2

Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление. Для жидкостей на границе с воздухом внутреннее давление очень велико, например, для воды Р = 14 800 атм. Внутреннее давление Р стремится втянуть молекулу в глубь фазы 1.

Чтобы образовать межфазную поверхность, необходимо перевести часть молекул из объема жидкости на поверхность. Для этого надо совершить работу против внутреннего давления, очевидно, чем оно больше, тем больше энергии требуется затратить. Эта энергия сосредоточивается в молекулах, находящихся на поверхности, и называется поверхностной энергией.

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

Наиболее важной характеристикой поверхности является поверхностное натяжение. Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящийся на 1 м² межфазной поверхности.

Поверхностное натяжение ( ) равно термодинамически обратимой[1], изотермической работе, которую надо совершить, чтобы увеличить площадь межфазной поверхности на единицу.

T=const, , [ ]=Дж/м² или (Нм)/м² = Н/м,

где – термодинамически обратимая работа, затраченная на образование поверхности площадью dS_1,2, так как работа совершается над системой, то она является отрицательной.

Обычно работу совершают или при условии постоянства объема и температуры (V, Т = const), или при постоянных температуре и давлении (Р, Т = const). Рассмотрим оба варианта:

1) V, Т = const

– = dF,

где F – свободная энергия Гельмгольца.

(2.1)

2) Р, Т = const

– = dG,

где G – свободная энергия Гиббса.

(2.2)

Свободная энергия – это энергия, за счет которой можно произвести работу.

Таким образом, поверхностное натяжение – это удельная свободная поверхностная энергия, т. е. свободная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу межфазной поверхности.

Поверхностное натяжение характеризует различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий граничащих фаз. Чем больше эти различия, тем больше . Для границы «конденсированная фаза (твердая или жидкая) – воздух» можно пренебречь межмолекулярными взаимодействиями в воздухе (F_{газ-газ} 0) и, значит, поверхностное натяжение характеризует интенсивность межмолекулярных сил в конденсированной фазе. В таблице 2.1. приведены значения некоторых веществ на границе с воздухом.

Таблица 2.1

Поверхностное натяжение на границе с воздухом

Жидкость	ж-г*103 Дж/м2 to=20 oC	Твердое тело	тв-г*103 Дж/м2 to=20 oC
Ртуть	485,0	СаF2
Н2О	72,75	PbF2
С6Н6	28,9	PbI2
С2Н5ОН	21,6	алмаз