Поверхностные явления

Переходный слой — слой конечной толщины, свойства которого отличны от тех, что присущи фазе. Все поверхностные явления происходят здесь (высота в несколько молекулярных слоев). Молекулы переходного слоя находятся в динамическом равновесии с молекулами фазы (1 см^2: 1 с ~ 10^{22} перемещений).

В глубине фазы межмолекулярные взаимодействия одинаковы и результирующая сила равна нулю. На поверхности концентрация молекул газа меньше концентрации молекул жидкости и результирующая сила не равна нулю (межмолекулярные силы не скомпенсированы). Молекулы находящиеся на поверхности «давят» на молекулы в глубине. Жидкость испытывает давление со стороны поверхностных молекул — внутреннее давление P_i.

Внутреннее давление P_i — равнодействующая сила межмолекулярного притяжения (взаимодействия) поверхностных молекул с молекулами фазы, направленная перпендикулярно к поверхности и отнесенная к единице площади поверхности.

P_i=left[frac{Н}{м^2}right]=left[Паright], атм
P_i(H_2O) = 13800 text{ атм} P_i(C_6H_6) = 3800 text{ атм}

Наличие внутреннего давления приводит к тому, что:

  • жидкости малосжимаемы;
  • все поверхностные молекулы стремятся уйти вглубь фазы, а значит жидкость принимает форму, при которой ее поверхность минимальна (сфера).

Чтобы создать новую поверхность необходимо затратить работу.

Двусторонняя пленка жидкости нанесена на проволочную рамку шириной l, одна сторона которой может перемещаться (без трения) вверх или вниз. В отсутствие внешней силы поверхность пленки самопроизвольно сокращается под действием поверхностного натяжения.

Опыт Дюпре

Значения площади и работы будут равны

S = l Delta H A = F Delta H

Поверхностное натяжение жидкости равно работе по созданию единицы поверхности.

sigma = frac{A}{S}=frac{FDelta h}{l Delta h}=frac{F}{l}
sigma = left[frac{text{Дж}}{text{м}^2}right]=left[frac{text{Н}}{text{м}}right]

Также поверхностное натяжение представляет собой силу, стремящуюся сократить поверхность, отнесенную к единице поверхности и направленную по касательной к ней.

Видео:Поверхностные явленияСкачать

Поверхностные   явления

Взаимосвязь внутреннего давления и поверхностного натяжения

Рассмотрим разделение поверхности:

surface_clip_image001_0002-a3c337b3caee9e5e539c9493b7baecc7

Работа по созданию одной поверхности равна

A_2=sigma cancel{S} = P_i cancel{S}d
P_i=frac{S}{d}

Работа по разделению равна

left. begin{array}{ccc} A_1 = P_iDelta V = P_iSd A_2 = 2sigma S end{array} right} Longrightarrow P_icancel Sd = 2sigma cancel S Longrightarrow fbox{$P_i=frac{2sigma}{d}$}

Видео:Поверхностное натяжение (видео 3) | Силы межмолекулярного взаимодействия | ХимияСкачать

Поверхностное натяжение (видео 3) | Силы межмолекулярного взаимодействия | Химия

Влияние различных факторов на P_i и σ

Влияние природы жидкости

Чаще всего зависит от того, полярная жидкость или неполярная, т.к. полярность определяет межмолекулярные взаимодействия. Так увеличение полярности жидкости, мерой которой является диэлектрическая проницаемость, приводит к увеличению межмолекулярного взаимодействия и, соответственно, к росту поверхностного натяжения.

Относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз взаимодействие между зарядами в этой среде меньше, чем в вакууме.

Жидкостьεσ*10^3, Дж/м^2
Н-гексан1,918
Метиловый спирт26,330
Вода8172

Чем выше полярность, тем выше поверхностное натяжение и внутренне давление.

Влияние температуры

Чем выше температура, тем разница между фазами меньше (чем выше кинетическая энергия частиц, тем меньше нужно затратить энергии  дополнительно). С ростом температуры поверхностное натяжение падает (зависимость линейная).

sigma_T=sigma_{T_0}-beta(T-T_0)

Зависимость поверхностного натяжения от температуры Плотность газа и жидкости в критической точке

Влияние кривизны поверхности

Поверхностное натяжение зависит от кривизны поверхности.

σ = f (r_{кр})

surface_clip_image001_0009-a7ae7c62068db62dbede5daf2f3fc5fd-2

P_{i, вып} = P_i + Delta P P_{i, вог} = P_i — Delta P

Delta P определяется радиусом кривизны поверхности. Выведем Delta P:

left. begin{array}{ccc} A = Delta P_i dV A = sigma dS end{array} right} Longrightarrow Delta P_i dV = sigma dS

Получим выражения dV и dS

V=frac{4}{3}pi r^3 qquad dV=4pi r^2 dr S=4pi r^2 qquad dS=8pi r dr

Подставим выражения dV и dS в уравнение

Delta P_i 4cancel{pi} r^{cancel 2} cancel{dr} = sigma 8cancel{pi r dr}

Упростим полученное уравнение

Delta P_i = frac{2sigma}{r}
P_{i, вып} = P_i + frac{2sigma}{r}
P_{i, вог} = P_i — frac{2sigma}{r}

Если поверхность неправильной формы, то вводится средняя кривизна:

Видео:Поверхностные явления. Адсорбция.Скачать

Поверхностные явления. Адсорбция.

Капиллярные явления

H = frac{1}{2}left(frac{1}{r_1}+frac{1}{r_2}right)
Delta P = sigma left(frac{1}{r_1}+frac{1}{r_2}right)

Поверхностные явления

Поднятие/опускание жидкости в тонком капилляре имеет высокое практическое значение (подъем грунтовых вод, пропитка и окраска).

F_{действ}=frac{2sigma}{r}pi R^2,

где r — радиус кривизны окружности, R — радиус капилляра.

🎦 Видео

Галилео. Эксперимент. Поверхностное натяжениеСкачать

Галилео. Эксперимент. Поверхностное натяжение

Урок 204. Поверхностные явления в природе, технике и в бытуСкачать

Урок 204. Поверхностные явления в природе, технике и в быту

Поверхностное натяжениеСкачать

Поверхностное натяжение

СорбцияСкачать

Сорбция

Поверхностные явленияСкачать

Поверхностные явления

Поверхностные явления. Давление ЛапласаСкачать

Поверхностные явления. Давление Лапласа

Коллоидная химия. Лекция 1. Физико-химия поверхностных явленийСкачать

Коллоидная химия. Лекция 1. Физико-химия поверхностных явлений

Урок 197. Поверхностная энергия. Коэффициент поверхностного натяженияСкачать

Урок 197. Поверхностная энергия. Коэффициент поверхностного натяжения

Влияние поверхностных явлений на эффективность нефтеотдачи. Поверхностные явления. Основные понятияСкачать

Влияние поверхностных явлений на эффективность нефтеотдачи. Поверхностные явления. Основные понятия

Поверхностные явления: адгезия, смачивание, адсорбция | Коллоидная химияСкачать

Поверхностные явления: адгезия, смачивание, адсорбция | Коллоидная химия

Поверхностные явления в жидкостях – ФизикохимияСкачать

Поверхностные явления в жидкостях – Физикохимия

Поверхностные явления. Адсорбция на подвижных границах раздела фаз.Скачать

Поверхностные явления. Адсорбция на подвижных границах раздела фаз.

Поверхностное натяжение и адгезия (видео 17) | Жидкости | ФизикаСкачать

Поверхностное натяжение и адгезия (видео 17) | Жидкости  | Физика

поверхностные явления 2022Скачать

поверхностные явления 2022

Свойства поверхностного слоя жидкости. 10 класс.Скачать

Свойства поверхностного слоя жидкости. 10 класс.

примеры на поверхностные явления, 2022Скачать

примеры на поверхностные явления, 2022

Лекция 8: коррозия металлов, поверхностные явления , коллоидные системы.Скачать

Лекция 8: коррозия металлов, поверхностные явления , коллоидные системы.
Поделиться или сохранить к себе:
Конспекты лекций по химии