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).