ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Поверхностные моиослои из "Коллоиды" Всякое тело отделено от окружающей среды поверхностью раздела, однако в случае больших тел она обычно слабо влияет на нх свойства. Если размеры тела уменьшаются, роль поверхности возрастает. До каких огромных значений увеличивается поверхность при диспергировании вещества, мы уже видели в главе I. Поэтому в коллоидных системах влияние поверхности имеет решающее значение. В этой главе мы рассмотрим основные свойства поверхности, но вначале кратко остановимся на вопросе о межмолекулярных силах, который имеет существенное значение как для поверхностных свойств, так и для дальнейшего изложения курса. [c.38] При сближении двух полярных молекул электрическое поле, создаваемое одной молекулой, вызывает дополнительное смещение зарядов в другой, так что каждый полюс диполя притягивает к себе противоположно заряженный полюс другого и отталкивает одноименно заряженный. Кроме постоянного диполь-ного момента, притяжение которого всегда одинаково, появляется дополнительный дипольный момент, называемый индуцированным. Взаимодействие, вызванное индуцированными дипольными моментами, приводит к появлению индукционных сил притяжения, которые также обратно пропорциональны седьмой степени расстояния между молекулами. [c.39] Дисперсионные силы имеют квантово-механический характер. Как следует из современных теорий строения атома, всякий электрон движется с определенной энергией, значение которой колеблется около некоторого среднего значения (т. е. флуктуирует). В результате этих колебаний электрон может на короткое время перескочить на более далекую от ядра оболочку. Если до флуктуации центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадали (т. е. атомы или молекулы не имели дипольного момента), то после перескока электрона появится мгновенный диполь. Он может или индуцировать диполь в каком-либо соседнем атоме, или взаимодействовать с другим мгновенным диполем, появив- Рис. 10. [c.39] Как видно из формулы (11), энергия притяжения между двумя молекулами равна нулю только на бесконечно большом расстоянии (г = оо). Но в некотог рых случаях удобно принять, что когда энергия притяжения меньше некоторой малой величины (см. рис. 11), молекулы не взаимодействуют. Расстояние Го, на котором энергия равна 1/о. называют радиусом взаимодействия, а сферу с таким радиусом около молекулы — сферой взаимодействия. [c.41] Когда молекула находится в объеме жидкости, она притягивается моле-кулами, попадающими в сферу ее воздействия, так что результирующая сила, действующая на нее, равна нулю (рис. 12,а). Если молекула находится от поверхности на расстоянии, меньшем радиуса взаимодействия, то притяжение, испытываемое молекулой со всех сторон, неодинаково, силы не скомпенсированы полностью и появляется результирующая сила (показанная стрелкой на рис. 12,б), которая стремится втянуть молекулу обратно в объем жидкости. Эта сила максимальна, когда молекула находится на поверхности (рис. 12,в). Следовательно, для перемещения молекулы из объема на поверхность жидкости надо совершить работу против сил, стремящихся вернуть ее обратно в объем. [c.41] Подобие в свойствах поверхности жидкости и эластичной пленки было подмечено еще Лапласом в ХУП1 веке. В то время еще не знали ни строения жидкости, ни того, что вещества состоят из отдельных молекул. Потому Лаплас считал, что на жидкой поверхности действительно имеется эластичная пленка, которая при растяжении противодействует расширению с силой, направленной по касательной к поверхности в сторону ее уменьшения. Эту силу, отнесенную к единице длины, Лаплас назвал поверхностным натяжением. Позднее оказалось, что хотя эти представления и неправильны, определение поверхностного натяжения, данное Лапласом, эквивалентно полученному нами ранее [см. уравнение (12)] через работу, затрачиваемую на образование единичной поверхности. [c.43] Если подставить сюда значение (7, полученное ранее, и учесть, Рис. 14. [c.43] Это выражение совпадает с уравнением (12), что доказывает эквивалентность двух определений. [c.44] Выражение (13) применимо не только к капле, но и к любой выпуклой сферической поверхности. Например, давление внутри пузырька повышено также на величину Ру. Наоборот, когда поверхность жидкости вогнута, давление в жидкости уменьшено на величину Ру. [c.44] Высказанные соображения о поверхностном натяжении применимы не только к поверхностям жидкостей, но и твердых тел. И в этом случае, конечно, силы взаимодействия для поверхностных молекул не будут скомпенсированы, что обусловит возникновение поверхностного натяжения. Так как силы взаимодействия в твердых телах очень велики, то и поверхностное натяжение в них имеет гораздо более высокое значение, чем в жидкостях. [c.44] Поверхностное натяжение играет определенную роль в явлении смачивания, что проявляется наиболее просто при смачивании твердой поверхности жидкостью. Когда силы взаимодействия между молекулами смачивающей жидкости и смачиваемой поверхности велики, жидкость растекается по поверхности тонким слоем — происходит полное смачивание. Например смачивание стекла водой. Если же молекулы жидкости взаимодействуют между собой более сильно, чем с твердым телом, каждая из этих молекул старается окружить себя подобными молекулами и жидкость стремится приобрести сферическую форму — происходит полное несмачивание. Примером полного несма-чивания является система ртуть — стекло. [c.45] Поверхности, полностью смачиваемые водой (или на которых капли жидкости образуют острый угол смачивания), называются гидрофильными ( любящими воду ). Такой является, как мы видели, поверхность стекла. Если угол смачивания тупой, поверхность называется гидрофобной ( ненавидящей воду ). К последней относятся поверхности сажи, жиров и других органических соединений. [c.46] При погружении тонкой стеклянной трубки в воду вследствие гидро-фнльности стекла вода стремится покрыть его и поэтому поднимается вверх по стенкам трубки. В результате уровень воды у стенок выше, чем в середине трубки, и поверхность воды приобретает вогнутую сферическую форму — мениск. Если стеклянная трубка погружена в ртуть, также образуется м.ениск, но так как ртуть стремится отдалиться от стекла, мениск будет выпуклым. [c.46] Формула (13) лежит в основе наиболее распространенных методов измерения поверхностного натяжения. Не вдаваясь в подробности, кратко изложим три метода измерения у. [c.46] Капиллярное поднятие — широко распространенное явление на нем основано увлажнение пористых тел (например, древесины, фильтровальной бумаги) при погружении их одним концом в жидкость. Это связано с понижением давления в жидкости с вогнутой поверхностью, о чем говорилось выше. Под поверхностью мениска, образованного в тонкой трубке, которая погружена в сосуд с жидкостью, давление ниже, чем у плоской поверхности (рис. 18). Рис. 17. [c.47] Возникшая разность давлений действует как поршень и заставляет мениск подниматься вверх по трубочке. Образовавшийся при этом столбик воды оказывает, вследствие своей массы, гидростатиче-Рис. 18. ское давление, пропорциональное высоте. [c.48] Когда гидростатическое давление делается равным капиллярному Ру, движение мениска прекращается. Из высоты к столба жидкости в трубочке несложно вычислить Ру, а отсюда и поверхностное натяжение. [c.48] Еще в глубокой древности моряки монослон У Р0Щали гнев бога моря Посейдона, выливая в бушующие волны оливковое масло, и волны сразу стихали. Потом Посейдон был забыт, моряки перестали верить в него, но оливковое масло и другие жиры, например китовый жир, продолжали оказывать чудотворное действие на волны. Позднее нашли, что подобное действие оказывают все вещества, содержащие в своей структуре длинную углеводородную цепь с присоеди--ненными к ней полярными группами вида —ОН (гидроксильной),-СООН (карбоксильной),—ЫНа (амин-ной), —ЗОзН (сульфонатной) и др. По причинам,-которые мы поясним позднее, эти вещества были названы поверхностно-активными. [c.48] Исследования Релея и Покельс в конце XIX века показали, что когда нерастворимое поверхностно-активное вещество наносят на поверхность воды, оно растекается по ней и образует поверхностный слой толщиной в одну молекулу, называемый монослоем. Молекулы этого слоя ударяются о стенки сосуда и оказывают на него давление подобно молекулам газа. Это давление можно легко обнаружить по силе, с которой монослой действует на поршень из промасленной бумаги, с помощью которого поверхностный газ сжимается и расширяется. [c.48] Вернуться к основной статье