Поверхностные явления протекают на границах раздела фаз и обусловлены особыми свойствами поверхностных слоев.

Состояние молекул или атомов, находящихся в поверхностном слое, иное, чем у молекул или атомов, находящихся в объеме фазы.

Из-за нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия со стороны воздуха энергия у молекул поверхностного слоя выше, чем у молекул в объеме фазы.

Суммарный избыток энергии молекул поверхности —свободная поверхностная энергия Гиббса G_s.

Общая энергия системы G — сумма поверхностной энергии Гиббса G_s и энергии Гиббса объемной фазы G v:

G = G_s + G v

Пусть имеется гомогенная фаза с площадью поверхности А, тогда:

G_s = A h^σ – TAs^σ,

где h^σ и s^σ — энтальпия и энтропия единицы поверхности, а Ah^σ и As^σ — энтальпия (H_s) и энтропия (S_s) поверхности.

Общая энергия Гиббса системы:

                          G = H v – TS v + H_s – TS_s,

где H_s и S_s — избыточные значения термодинамических величин, обусловленные наличием поверхностных слоев.

Поверхностная энтальпия H_s = G_s + TS_s. Если энтропийный фактор незначителен, то H_s = G_s.

1.3. Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение (σ) — это работа, которую требуется затратить для образования единицы поверхности (размерность Дж/м²).

Поверхностное натяжение (σ) — это мера избытка поверхностной энергии, приходящегося на единицу площади поверхности, который возникает за счет нескомпенсированности сил межмолекулярных взаимодействий у молекул поверхностного слоя.

Зависимость поверхностного натяжения от различных факторов

От природы жидкости

Поверхностное натяжение некоторых жидких веществ на границе с воздухом при температуре 293 К

Вещество	σ × 10–3 Дж/м2
Гексан	18.4
Этанол	22.8
Ацетон	23.8
Фенол	42.3
Анилин	43.9
Сыворотка крови человека	46 ¸ 47
Вода	72.7

От температуры

При повышении температуры силы межмолекулярных взаимодействий ослабевают и поверхностное натяжение уменьшается.

При критической температуре исчезает поверхность раздела фаз жидкость—пар, поверхностное натяжение становится равным 0.

От давления

При повышении давления увеличивается взаимодействие поверхностных слоев жидкостей с молекулами газовой фазы и уменьшается избыток энергии молекул на поверхности (сила F становится меньше) –– поверхностное натяжение уменьшается.

Зависимость поверхностного натяжения водных растворов различных веществ от их природы и концентрации

ПАВ (поверхностно-активные вещества) — вещества, понижающие поверхностное натяжение водных растворов. Это органические соединения, обладающие дифильной природой — их молекулы содержат неполярные гидрофобные участки (слабо взаимодействующие с молекулами воды) и полярные гидрофильные группы (сильно взаимодействующие с молекулами воды).

σ ПАВ σ Н₂О

Неионогенные ПАВ — спирты, альдегиды, кетоны, сложные эфиры.

Ионогенные ПАВ — органические кислоты, амины и их соли.

Изотермы ПАВ, отличающихся разной длиной углеродной цепи.