Поверхностное натяжение. Давление под изогнутой поверхностью.

 

Наличие границы раздела (поверхности) жидкость-твёрдое тело или жидкость-газ, где происходит скачкообразное изменение плотности вещества, обуславливает ряд свойств поверхностного слоя жидкости. Молекулярные силы действуют по-разному на молекулы, которые находятся в приповерхностном слое и в глубине жидкости. Погруженные молекулы испытывают со всех сторон одинаковое, симметричное силовое воздействие, поэтому равнодействующая всех молекулярных сил в этом случае равна нулю (рис. Кудрявцев, стр90). В ином положении находятся частицы приповерхностного слоя. Для них равнодействующая не равна нулю и направлена в глубь жидкости, поэтому каждая такая молекула стремится уйти внутрь. Однако уход части молекул приводит к небольшому возрастанию среднего расстояния между молекулами вдоль поверхностного слоя. А это приводит к росту сил молекулярного притяжения направленных вдоль границы раздела, что затрудняет дальнейший уход частиц из поверхностного слоя. Энергетически это означает, что потенциальная энергия взаимодействия молекул приповерхностного слоя больше, чем для внутренних молекул. Из сказанного следует, что для перемещения молекулы из глубины жидкости на поверхность необходимо совершить работу.

При достижении определенного среднего расстояния между молекулами поверхностного слоя наступает динамическое равновесие, т.е. число частиц в поверхностном слое стабилизируется. Сам поверхностный слой напоминает при этом растянутую резиновую пленку, т.е. в этом слое возникают силы стремящиеся сократить площадь границы раздела – это и есть силы поверхностного натяжения – F_пн. Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярны к линии возможного разрыва поверхностного слоя или к линии, ограничивающей эту поверхность. Из всех тел данного объема наименьшую поверхность имеет шар. По этой причине мелкие капли жидкости всегда стремятся принять форму шара.

Сила поверхностного натяжения является распределенной силой, так как она действует в каждой точке вдоль линии, ограничивающей поверхностный слой. Для количественной оценки сил поверхностного натяжения их относят к единице длины линии, к которой они приложены. α = F_пн / l – это отношение называется коэффициент поверхностного натяжения. [α]=Н/м.

Рассмотрим это явление с энергетической точки зрения. Для этого проанализируем мысленный опыт: Пусть П-образная рамка (рис. Яковлев, стр. 215) затянута пленной жидкости. Попытаемся увеличить ее площадь, передвинув подвижную перекладину АВ на расстояние dh. Для этого необходимо приложить внешнюю силу равную силе поверхностного натяжения – F = 2αAB. При этом силы поверхностного натяжения совершают работу dA = –2αABdh, а площадь поверхности возрастает на величину dS = 2·AВ·dh, т.е. dA = –αdS. Это позволяет определить коэффициент поверхностного натяжения, как работу выполненную для образования 1 м² поверхности жидкости - α = |dA|/dS. [α]=Дж/м².

Создание поверхности связано с выполнением работы по перемещению молекул из глубины жидкости в поверхностный слой. Эта работа идёт на увеличение энергии взаимодействия молекул поверхностного слоя. Дополнительная потенциальная энергия, численно равная работе по изотермическому образованию поверхности, называется свободной энергией поверхностного слоя:

 

А = ΔW = α∙ΔS. (7)

 

ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА. АДСОРБЦИЯ

Поверхностное натяжение существенно зависит от примесей привносимых в жидкость. Если силы притяжения между молекулами примеси и жидкости-растворителя меньше сил притяжения между молекулами растворителя, то из поверхностного слоя внутрь жидкости преимущественно будут уходить молекулы растворителя. В результате концентрация растворённого вещества в приповерхностном слое будет больше, чем внутри жидкости. Явление обогащения поверхностного слоя молекулами растворённого вещества называется адсорбцией. Это явление приводит к уменьшению величины коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Сами такие вещества, уменьшающие значение коэффициента поверхностного натяжения жидкости, получили название поверхностно-активных (ПАВ). По отношению к воде поверхностно-активными являются нефть, мыло, спирт, жирные кислоты и др. ПАВ плохо растворяются в жидкостях и, как показывает опыт, их молекулы располагаются в поверхностном слое упорядоченно. Например, молекулы уксусной кислоты, практически нерастворимой в воде, выстраиваются так, что кислотная группа СО₂Н оказывается погруженной в воду, а углеводородная цепочка находится над поверхностью (рис. Кудрявцев стр101,102).

 

 

На явлении адсорбции основаны методы удаления частиц загрязняющих поверхность твёрдых тел, обогащения руд (явление флотации), в санитарии – для уничтожения личинок комаров и др.

Некоторые вещества интенсивно адсорбируют из раствора ионы металлов, выделяя вместо них в раствор ионы водорода. Такие адсорбенты называются катионитами. Другие сорбируют отрицательные ионы кислотных остатков, заменяя их гидроксильными группами ОН. Эти адсорбенты называются анионитами. В целом такие процессы получили название ионного обмена.

Ионый обмен используется для очистки воды. Пропуская воду через две ионообменные колонны, одна из которых заполнена катионитами, а другая анионитами, очищают воду от ионов. В качестве адсорбентов чаще всего применяются алюмосиликаты, сульфированные природные угли, синтетические смолы – полимеры сетчатой и трёхмерной структуры.

 

Поверхностные явления вообще и ПАВ в частности играют важную роль в биологических процессах.

Существуют вещества, которые увеличивают поверхностное натяжение. Они называются поверхностно-инактивными (сахар, соль – по отношению к воде).

 

 

ПРИМЕНЕНИЕ ПАВ В ФАРМАЦИИ

 

Используются в производстве мягких лекарственных форм как стабилизаторы и самобилизаторы (растворение в мицеллярных системах нерастворимых в чистых жидкостях соединений называется самобилизацией или коллоидным растворением). ПАВ в медицине должны удовлетворять следующие требования: 1) отсутствие токсичности; 2) стойкость в процессе хранения и от микроорганизма; 3) отсутствие запаха, вкуса и окраски; 4) доступность и возможность получать из отечественного сырья; 5) эффективная стабилизирующая, самобилизирующая, смачивающая и моющая способность.

Анионоактивные ПАВ – соли высших карбоновых кислот (СН = 12÷18) с щелочными металлами (мыла). Служат эмульгаторами I и II рода, самобилизаторами, стабилизаторами мазей и кремов.

Эмульсия I рода (прямая) состоит из полярной дисперсионной среды (воды) и неполярной дисперсионной фазы (масло); их обозначают м/в (рис.25а).

Эмульсия II рода (обратная) имеет неполярную дисперсионную среду (масло) и полярную дисперсионную фазу (вода); их обозначают в/м (рис.25б).

Другие сочетания невозможны.

Катионактивные ПАВ – соли алюминиевых, сульфониевых, фосфониевых оснований – используют как бактерицидные, фугицидные и дезинфицирующие средства.

Амфотерные ПАВ – алкиламинокислоты, сульфобетаины, в зависимости от РН проявляют свойства анионных (в щелочной среде) или катионных ПАВ (в кислотной среде).

Неионогенные ПАВ – твины (эмульгаторы I рода (самобилизаторы гормонов, масел, витаминов, антибиотиков), плюроники (самобилизаторы витаминов, антибиотиков, шампуней, зубных паст)).

Широко применяют в фармации маслорастворимые неионогенные ПАВ, образованные на основе одноатомных спиртов алифатического ряда додецилового, тетрадецилового и октидецилового. Они являются эффективными эмульгаторами II рода (в/м).

Жиросахара (сложные эфиры сахарозы и одноосновных высших корбоновых кислот). Они не раздражают слизистые, не вызывают жжения глаз, их употребляют в зубных пастах, шампунях, мыле и моющих средствах; некоторые используют для образования кишечнорастворимых покрытий на таблетках с целью защиты их от воздействия желудочного сока.