Поверхностное натяжение. Фундаментальное уравнение Гиббса

1.

Поверхностное натяжение.
Фундаментальное уравнение Гиббса.
1

2.

Энергия,
придаваемая
поверхностному
слою
и
определяющая
его
устойчивость, представляет собой, согласно Дж. У. Гиббсу, так называемую
свободную поверхностную энергию GS,
пропорциональную площади
поверхности раздела фаз:
Gs = σ S
где σ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом
поверхностного натяжения.
Физический смысл σ - свободная поверхностная энергия, приходящаяся на
единицу площади поверхности раздела фаз или, иначе, работа обратимого
изотермического образования единицы площади поверхности раздела фаз.
Размерность СИ σ - Дж/м2.
2

3.

Методы определения поверхностного натяжения
3

4.

Метод Ребиндера
4

5.

Сталагмометрический метод
5

6.

Поверхностное натяжение определяется отношением
модуля силы поверхностного натяжения F, действующей на
границу поверхностного слоя жидкости, к длине этой
границы σ =F/L
Метод покоящейся капли
Метод расщепления надколотых монокристаллов
6

7.

Метод капиллярного поднятия
7

8.

8

9.

Фундаментальное уравнение адсорбции
Адсорбцию можно рассматривать как процесс превращения поверхностной
энергии в химическую.
Выведем соотношение между поверхностным натяжением и химическими
параметрами компонентов.
Если объем поверхностного слоя равен 0, то
dU=T dS + dS + i dni
(1)
т.к. внутр. энергия пропорциональна экстенсивным величинам, то:
U=T S + S + i ni
полный дифференциал от тех же переменных запишется следующим образом:
dU=T dS + S dT + dS +S d + i dni + ni d
(2)
Подставляя dU из 1 в 2, получим:
S dT + sd + ni d i = 0
(3)
при Т=const:
sd + ni d i = 0 (4)
3 и 4 - уравнения Гиббса для межфазной поверхности (поверхностного слоя).
9

10.

Все экстенсивные величины поверхности зависят от площади
поверхности , поэтому удобнее относить эти параметры к единице
площади поверхности. Разделив уравнение 4 на площадь поверхности,
получим:
d + (ni d i )/ S= 0
d = - (ni d i )/ S
фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса
10

11.

11

12.

Поверхностная активность
Физический смысл g : она представляет силу, удерживающую вещество
на поверхности и рассчитанную на единицу гиббсовской адсорбции.
g<0, Г<0
g=0, Г=0
12

13.

13

14.

Ограничения:
Только при комнатной Т, при увеличении Т, β→1
Применяется только для водных растворов, в неводных происходит
обращение этого правила.
14

15.

Строение поверхностного слоя при адсорбции ПАВ
Принцип независимости поверхностного действия.
При адсорбции полярная группа, обладающая
большим сродством к полярной фазе (Н2О),
втягивается во внутрь, в то время как неполярный
радикал выталкивается в неполярную фазу. В
результате такой ориентации ПАВ в ПС происходит
меньше
свободной
поверхностной
Е,
что
ограничивает размеры ПС толщиной в одну
молекулу.
Частокол Ленгмюра
15