Поверхностные явления

Рекламные щиты, прославляющие «обычные напитки», часто содержат изображения запотевших бутылок. Почему вода на стеклянной поверхности собирается в капельки? Почему капли дождя круглые? Почему водомерка (насекомое такое) может бегать по воде, касаясь ее только кончиками своих лапок? Почему капля машинного масла на поверхности воды или мокрого асфальта постепенно «расползается» в пятно большого размера, которое еще и окрашено всеми цветами радуги? Эти явления и множество других называют «поверхностными», поскольку в них проявляются особенности молекул, живущих на поверхности тел. Поверхностные явления окружают нас буквально со всех сторон. Капельки дождя на стекле и роса на траве, мыльные пузыри (пена), мытье рук и стирка белья. Капельки жира в супе и растекание чернил по бумаге. Намокание тряпки, опущенной одним концом в воду, и промокание кожаных ботинок. Подъем парафина в горящей свече по фитилю вверх и подъем керосина по фитилю в керосиновой лампе. Высыхание влажной почвы и рыхление почвы для сохранения в ней влаги. Все эти явления связаны с соприкосновением пары различных веществ друг с другом. Одно из веществ в большинстве приведенных примеров находится в жидком состоянии, а другое в твердом. В примере с растеканием капли масла по поверхности воды оба вещества находятся в жидком состоянии.

Оказывается, взаимодействуют не только молекулы одного сорта, но и молекулы разных веществ, причем величина, соответствующая глубине потенциальной ямы, характеризующей взаимодействие пары молекул, зависит от сорта взаимодействующих молекул. Для некоторых пар разных молекул глубина (-U) существенно больше, чем для пары одинаковых молекул (молекул жидкости). В этом случае жидкость растекается по поверхности твердого тела (хорошо смачивает его), так как это соответствует уменьшению суммарной потенциальной энергии системы молекул. Если же пара разных молекул имеет глубину потенциальной ямы значительно меньше, чем соответствующая глубина потенциальной ямы для пары одинаковых молекул жидкости, то в этом случае жидкость не смачивает твердое тело и не растекается по его поверхности, а образует капельки. Например, ртуть не растекается по стеклу, а керосин растекается по железу. Существуют и все промежуточные соотношения между глубинами потенциальных ям. Для стекла и воды эти глубины потенциальных ям близки друг к другу. Поэтому вода, хотя и смачивает стекло, но не растекается по нему тонкой пленкой.

Для описания стремления жидкости сократить свою поверхность (уменьшить потенциальную энергию) используют представление о поверхностных силах, которые действуют вдоль поверхности жидкости. Величина силы пропорциональна длине линии, расположенной вдоль поверхности, а направление силы перпендикулярно этой линии. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом поверхностного натяжения σ.

F = L×σ.

Для воды при температуре +10°С этот коэффициент примерно равен 0,07 Н/м. Если мы, действуя поперек линии длиной в один метр передвинем место приложения силы на один метр, то есть увеличим поверхность воды на 1 м², то это будет соответствовать тому, что определенное число молекул воды поменяют количество ближайших соседей (выберутся на поверхность). Работа, совершенная приложенной силой, равна изменению потенциальной энергии системы молекул. Кстати, если принять диаметр молекулы воды равным примерно трем Ангстремам, то на поверхность площадью 1 м² выбралось примерно 10¹⁹ молекул.

Мы уже говорили о том, что в конденсированном состоянии вещества каждая его молекула находится в нескольких потенциальных ямках своих ближайших соседок. При плотной упаковке шарообразных молекул каждая молекула «внутри» имеет 12 ближайших соседок, а молекула, находящаяся «на краю», имеет только 9 соседок. Для менее плотной «кубической» упаковки шаров «внутренний» шар имеет 6 «ближайших» соседей, а шар, находящийся на границе, только 5. Следовательно, периферийные «крайние» молекулы находятся в выделенном положении по отношению к «внутренним» – их потенциальная энергия больше. Они «сидят в менее глубокой яме». Избыточная энергия таких молекул называется «поверхностной» энергией. С ней, например, связано такое явление, как поверхностное натяжение жидкостей, которое характеризуется величиной «поверхностной» энергии, приходящейся на единицу площади поверхности σ_ж.

Дополнительная потенциальная энергия молекул (атомов), находящихся на поверхности, связана с «исчезновением» части молекул-партнеров, с которыми эти молекулы взаимодействовали, будучи полностью со всех сторон окруженными. В создании потенциальной ямы для данной молекулы участвовали не только ближайшие соседки, но и удаленные на большие расстояния молекулы. Вклад каждой молекулы в общую глубину ямы по мере их удаления от данной молекулы быстро уменьшается. Кстати, если поверхность конденсированного тела кривая, то дополнительная потенциальная энергия молекул, находящихся на этой поверхности, зависит от кривизны этой поверхности. В частности, находясь на выпуклой поверхности, молекула пребывает в менее глубокой потенциальной яме, чем в том случае, когда поверхность плоская. Если же поверхность вогнутая, то глубина потенциальной ямы для молекулы на такой поверхности больше, чем для потенциальной ямы на плоской поверхности, но меньше, чем глубина потенциальной ямы для молекулы, находящейся глубоко внутри тела.

Случайные перескоки молекул из одного положения с минимумом потенциальной энергии в другое происходят так, что система молекул в среднем с большей вероятностью оказывается в положении с самой низкой потенциальной энергией. Говорят, что жидкость «стремится» сократить свою поверхность, или, что каждая отдельная молекула «стремится приобрести» как можно больше соседок. Правильнее будет сказать, что в результате хаотических движений молекул они могут перебираться из одного устойчивого состояния в другое и, естественно, большее время проводят в таких состояниях, когда их потенциальная энергия минимальна. При заданном объеме тела минимальная поверхность будет при шарообразной форме этого тела, однако наличие других тел или силовых полей приводят к тому, что минимуму энергии будет соответствовать другая форма тела.

С поверхностным натяжением связано, например, приобретение мыльным пузырем шарообразной формы и наличие избыточного давления воздуха внутри воздушного пузыря с водяными стенками

ΔР = 4σ_ж/R_Пузыря

Известно, что для каждой жидкости существуют смачиваемые и не смачиваемые ею тела. Сами эти тела могут быть жидкими или твердыми. Это объясняется взаимодействием молекул жидкости друг с другом и с молекулами другого тела (с молекулами стенок сосуда, например). Поверхность твердого тела будет хорошо смачиваться жидкостью, если глубина потенциальной ямы взаимодействия молекулы жидкости и молекулы твердого тела U_жт будет значительно больше, чем для двух молекул в жидкости U_жж, и наоборот не будет смачиваться, если глубина потенциальной ямы U_жт значительно меньше, чем U_жж. Маленькая капелька воды на плоской поверхности чистого стекла имеет характерную форму полушара, для этого случая U_жт и U_жж примерно одинаковы. На плоской поверхности, покрытой парафином (воском), форма капельки воды близка к шару, следовательно, U_жт < U_жж. А если капелька керосина попадает на стальную плоскую поверхность, то она растекается тонкой пленкой, соответственно, в этом случае U_жт > U_жж.

Наверное, все обращали внимание на то, как капельки масла объединяются на поверхности супа в тарелке.

Что можно сказать о взаимодействии молекул воды и масла с поверхностью керамической тарелки? Масло и вода по-разному смачивают стенки тарелки. Вот почему тарелки после супа всегда жирные. Чтобы вымыть жирные тарелки, используют моющие средства.

Какую роль играют молекулы моющих веществ? Молекулы таких веществ достаточно длинные (до 10 -15 Ангстрем). Они имеют в своем составе как группы атомов, которые хорошо взаимодействуют с водой (-О-Н), так и другие группы атомов, хорошо взаимодействующие с неполярными молекулами жиров (СН₃). Соответствующие концы молекул называются «гидрофильными» и «гидрофобными». Такие молекулы окружают капельку жира (обволакивают её) и отделяют от поверхности тарелки (или волокон ткани). После такого отделения «упакованная» капелька жира плавает в воде и при полоскании уносится водой.

Для кристаллических тел «поверхностная» энергия зависит от того, на какой грани кристалла находится молекула (или атом). Именно разные значения поверхностной энергии определяют форму монокристалла, который медленно растет из газовой фазы. По понятным причинам поверхность (грань кристалла) с большим поверхностным натяжением будет расти медленно, а поверхность с малым коэффициентом поверхностного натяжения будет расти быстрее. В целом форма кристалла, как всегда, соответствует минимуму суммарной потенциальной энергии составляющих кристалл молекул. В этом случае опять проявляется пространственная "асимметрия" (неизотропность) потенциальной энергии взаимодействия молекул. Примером такого роста кристаллов может служить образование снежинок, которые имеют сильно отличающиеся поперечные размеры в разных направлениях. Приведенные рисунки снежинок, конечно, не соответствуют реальным их формам и служат только для «украшения».

Дата добавления: 2014-11-20; просмотров: 313; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!