Поверхностное натяжение: от молекулярных основ до современных методов измерения и практического применения

Вода при 20°C обладает поверхностным натяжением 72,7 мН/м — это значение, которое позволяет насекомым скользить по еë поверхности, а каплям принимать сферическую форму. Этот, казалось бы, простой факт лежит в основе одного из самых интригующих и повсеместных явлений в природе и технике – поверхностного натяжения. Для студентов и специалистов в области физики, химии и инженерии понимание этого феномена является краеугольным камнем в изучении жидкостей, коллоидных систем и межфазных взаимодействий, открывая двери к инновациям в самых разных областях.

Настоящий труд призван дать исчерпывающее объяснение физической природы поверхностного натяжения, систематизировать и детально описать основные методы его измерения, а также продемонстрировать широкий спектр практических применений — от биологии и медицины до передовых нанотехнологий и фармацевтики. Мы рассмотрим поверхностное натяжение как с точки зрения силового воздействия, стремящегося минимизировать площадь поверхности, так и с позиции избыточной поверхностной энергии, присущей молекулам на границе раздела фаз. В ходе работы будут затронуты ключевые вопросы: от молекулярных механизмов до теоретических уравнений, от классических экспериментальных подходов до современных метрологических стандартов, что позволит читателю сформировать целостное и глубокое понимание этого фундаментального явления.

Молекулярная природа и термодинамические основы поверхностного натяжения

Ключевым аспектом понимания поведения жидкостей является изучение их поверхностных свойств, ведь именно эти взаимодействия формируют мир, который мы видим: от росы на траве до движения крови по капиллярам. Поверхностное натяжение, казалось бы, абстрактное понятие, на самом деле является прямым следствием фундаментальных взаимодействий между молекулами.

Определение и физический смысл поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение (ПН) – это феномен, который проявляется в стремлении поверхности жидкости сократиться до минимально возможной площади. Это стремление обусловлено действием молекулярных сил, возникающих на границе раздела фаз. С точки зрения физического смысла, его можно определить двумя способами:

• Силовое определение: Поверхностное натяжение (σ) представляет собой силу, действующую на единицу длины контура поверхности, стремящуюся эту поверхность сократить. Единицей измерения в системе СИ является Ньютон на метр (Н/м). Исторически также использовалась единица дин (дин), где 1 дин = 10^-5 Н.
• Термодинамическое (энергетическое) определение: Поверхностное натяжение может быть интерпретировано как удельная работа, необходимая для изотермического увеличения площади поверхности на единицу. В этом контексте поверхностное натяжение также называют удельной поверхностной энергией, и измеряется оно в Джоулях на квадратный метр (Дж/м²). Эти две единицы измерения эквивалентны, поскольку 1 Н/м = 1 Дж/м².

Важно также различать схожие, но неидентичные термины:

• Поверхностное натяжение обычно относится к границе раздела жидкость-газ (например, вода-воздух).
• Межфазное натяжение используется для описания границы раздела между двумя жидкостями (например, масло-вода) или жидкостью и твердым телом.
• Адгезия – это феномен сцепления поверхностей разнородных тел, будь то твердых или жидких. Она проявляется, например, при смачивании поверхности.
• Когезия – это внутреннее сцепление молекул внутри одного и того же тела, обусловленное межмолекулярными силами притяжения. Именно когезия определяет прочность жидкости.

Молекулярные силы и поверхностный слой жидкости

Чтобы понять природу поверхностного натяжения, необходимо заглянуть в микромир молекулярных взаимодействий. В объеме жидкости каждая молекула окружена со всех сторон другими молекулами. Силы притяжения, действующие между соседними молекулами, являются изотропными и взаимно компенсируются, так что равнодействующая этих сил для молекулы внутри жидкости равна нулю. Это обеспечивает молекуле относительно низкую потенциальную энергию.

Однако ситуация кардинально меняется для молекул, расположенных в поверхностном слое жидкости. Эти молекулы не имеют «соседей» сверху (на границе с газовой фазой, например, воздухом). В результате равнодействующая сил притяжения, действующих на поверхностные молекулы, направлена внутрь жидкости, перпендикулярно поверхности. Эта нескомпенсированность межмолекулярных сил означает, что поверхностные молекулы находятся в менее энергетически выгодном состоянии. Они обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в объеме жидкости. И что из этого следует? Это означает, что для вывода молекулы из объёма на поверхность необходимо затратить энергию, что является прямым проявлением удельной поверхностной энергии.

Физическая система всегда стремится к состоянию с минимальной свободной энергией. Для жидкости это означает стремление сократить площадь своей поверхности, чтобы минимизировать количество высокоэнергетических поверхностных молекул. Именно это стремление и проявляется как поверхностное натяжение. Толщина этого поверхностного слоя, в котором проявляется нескомпенсированность сил молекулярного притяжения, крайне мала и приблизительно равна радиусу сферы молекулярного действия, что составляет порядка 1 нанометра.

Современные молекулярные модели объяснения поверхностного натяжения

Классическое объяснение поверхностного натяжения через нескомпенсированность сил является фундаментальным, но современные подходы углубляют это понимание, связывая его с внутренней энергией вещества. Эти модели помогают лучше понять энергетическую природу явления:

• Модель «распаковки молекул» Г. Хайдарова (1983 г.): Эта модель предполагает, что внутренняя энергия жидкости и поверхностное натяжение имеют общую физическую природу, коренящуюся в разрыве межмолекулярных связей. Представьте молекулу, окруженную связями со всех сторон. Для того чтобы «вырвать» её из объема жидкости, необходимо разорвать связи по всем шести ортогональным направлениям, что соответствует внутренней энергии. Если же мы говорим о переходе молекулы из объема на поверхность, то разрыв связей происходит только по одной плоскости (направленной к газовой фазе). Эта «виртуальная распаковка» молекулы, при которой рвётся часть её связей, эквивалентна затратам энергии, проявляющимся как поверхностное натяжение. Таким образом, поверхностное натяжение рассматривается как часть внутренней энергии, связанная с энергией разрыва связей на границе фаз.
• «Салями-метод» В. Вайскопфа (1985 г.): Независимо от Хайдарова, В. Вайскопф предложил аналогичную интерпретацию, назвав её «салями-методом». Он также связал поверхностное натяжение с разрывом межмолекулярных связей, рассматривая его как часть внутренней энергии, которая высвобождается или затрачивается при формировании новой поверхности. Если представить молекулу как «ломтик салями», то чтобы «вытащить» её на поверхность, необходимо разорвать связи с другими «ломтиками». Эти подходы подчёркивают, что поверхностное натяжение не просто сила, но и мера энергии, необходимой для создания новой поверхности, что является более глубоким термодинамическим осмыслением.

Факторы, влияющие на величину поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение не является постоянной величиной и чутко реагирует на изменения в окружающей среде и составе жидкости. Понимание этих зависимостей критически важно как для фундаментальных исследований, так и для практического применения, ведь они позволяют манипулировать свойствами жидкостей в технологических процессах.

Температура

Одним из наиболее значимых факторов, влияющих на поверхностное натяжение, является температура. С её увеличением поверхностное натяжение жидкости уменьшается. Интуитивно это объясняется ослаблением межмолекулярных связей при повышении теплового движения молекул. В конечном итоге, при достижении критической температуры, когда исчезает граница раздела фаз между жидкостью и газом, поверхностное натяжение стремится к нулю.

Эмпирическая зависимость поверхностного натяжения от температуры была впервые предложена Лорандом Этвёшом в 1886 году и известна как правило Этвёша:

σV2/3 = k(Tc - T - 6 K)

Где:

• σ — коэффициент поверхностного натяжения (Н/м или Дж/м²)
• V — молярный объем жидкости (м³/моль), который можно рассчитать как отношение молярной массы M к плотности ρ (V = M/ρ)
• k — константа Этвёша, приблизительно равная 2,1 × 10^-7 Дж/(К·моль^2/3)
• T_c — критическая температура (К)
• T — текущая температура (К)

Эта формула позволяет предсказывать изменение поверхностного натяжения с температурой для многих чистых жидкостей. Например, поверхностное натяжение воды при 0°C составляет 75,6 мН/м, а при 100°C снижается до 58,9 мН/м.

Природа жидкости

Химическая природа жидкости играет ключевую роль в определении величины еë поверхностного натяжения. Этот параметр напрямую зависит от интенсивности межмолекулярных сил притяжения:

• Полярные жидкости с сильными межмолекулярными связями, особенно те, что способны образовывать водородные связи (например, вода), обладают высоким поверхностным натяжением. Эти связи требуют значительной энергии для разрыва, что выражается в большой избыточной поверхностной энергии.
  • Пример: Поверхностное натяжение воды при 20°C составляет 72,7 мН/м.
• Неполярные жидкости со слабыми межмолекулярными связями (например, Ван-дер-Ваальсовыми) имеют значительно меньшее поверхностное натяжение.
  • Пример: У н-гексана при 20°C поверхностное натяжение всего 18,4 мН/м, а у бензола — 28,9 мН/м.
• Металлы в жидком состоянии (например, ртуть) демонстрируют исключительно высокие значения поверхностного натяжения из-за сильных металлических связей.
  • Пример: Ртуть при 20°C имеет поверхностное натяжение около 473,5 мДж/м².

Для наглядности приведём сравнительную таблицу:

Жидкость	Температура, °C	Поверхностное натяжение, мН/м (мДж/м2)
Вода	20	72,7
Вода	0	75,6
Вода	100	58,9
Н-гексан	20	18,4
Бензол	20	28,9
Ртуть	20	473,5
Этанол	20	22,0

Примеси и их влияние (ПАВ и ПНАВ)

Присутствие даже небольших количеств примесей может кардинально изменить поверхностное натяжение жидкости. Здесь выделяются два основных класса веществ:

• Поверхностно-активные вещества (ПАВ): Эти соединения, имеющие дифильное строение (то есть содержащие одновременно полярную, гидрофильную часть и неполярную, гидрофобную часть), обладают уникальной способностью концентрироваться на границе раздела фаз. Ориентируясь на поверхности, они своими гидрофильными группами обращены в полярную фазу (например, воду), а гидрофобными — в неполярную (например, воздух или масло). Это выравнивает полярности на границе, значительно снижая поверхностное натяжение.
  • Примеры: Мыла, детергенты, спирты, белки, желчные кислоты. Легочный сурфактант, состоящий преимущественно из фосфолипидов, является ярким биологическим ПАВ, который критически снижает поверхностное натяжение в альвеолах лёгких, предотвращая их спадение. При заболеваниях, таких как желтуха, желчные кислоты, попадая в мочу, резко уменьшают её поверхностное натяжение.
• Поверхностно-неактивные вещества (ПНАВ): В отличие от ПАВ, эти вещества имеют тенденцию к повышению поверхностного натяжения, хотя и в меньшей степени. Они не концентрируются на поверхности, а наоборот, их концентрация в поверхностном слое меньше, чем в объеме жидкости.
  • Примеры: Неорганические соли (NaCl, KCl). Ионы этих солей сильно притягивают молекулы воды, тем самым как бы «уводя» их из поверхностного слоя и усиливая когезионные силы в объеме.

Природа граничащих фаз

Поверхностное натяжение не является свойством одной только жидкости, оно всегда характеризует границу раздела между двумя фазами. Если речь идёт о границе между двумя жидкостями (межфазное натяжение), то здесь особенно важна их полярность:

• Правило Ребиндера: Согласно этому правилу, чем больше разность полярностей двух жидкостей, тем больше поверхностное натяжение на границе их раздела. Это объясняется тем, что молекулам с сильно различающейся полярностью «неудобно» находиться рядом, и они будут максимально сопротивляться формированию общей границы.
• Правило Антонова: Это правило применимо к жидкостям, которые ограниченно растворимы друг в друге. Оно утверждает, что межфазное натяжение на границе «жидкость₁/жидкость₂» равно разности между поверхностными натяжениями этих взаимно насыщенных жидкостей на границе их с воздухом или собственным паром. Это правило позволяет косвенно оценить межфазное натяжение, зная поверхностные натяжения отдельных фаз.

Теоретические подходы и уравнения, описывающие поверхностное натяжение

Для количественного описания и прогнозирования поведения жидкостей на границах раздела фаз разработаны строгие математические модели. Эти уравнения позволяют связать макроскопические параметры (давление, концентрация, геометрия) с микроскопическими явлениями поверхностного натяжения.

Уравнение Юнга-Лапласа

Уравнение Юнга-Лапласа является фундаментальным для понимания капиллярных явлений и описывает разность давлений по обе стороны искривленной поверхности жидкости. Эта разность давлений, известная как капиллярное давление (Δp), возникает благодаря поверхностному натяжению.

Для сферической поверхности (например, маленькой капли или пузырька) уравнение Юнга-Лапласа принимает вид:

Δp = 2σ / R

Где:

• Δp — разность давлений (давление Лапласа)
• σ — коэффициент поверхностного натяжения
• R — радиус кривизны сферической поверхности

Это уравнение наглядно демонстрирует, что давление внутри шарообразной капли жидкости (или пузырька газа в жидкости) выше, чем снаружи. Чем меньше радиус капли (или пузырька), тем больше разность давлений.

В общем случае, для поверхности с двумя главными радиусами кривизны R_x и R_y (например, седлообразная или цилиндрическая поверхность), уравнение Юнга-Лапласа выглядит так:

Δp = σ (1/Rx + 1/Ry)

Здесь 1/R_x и 1/R_y — главные кривизны поверхности. Это обобщенное уравнение позволяет анализировать формы менисков и капель сложной конфигурации.

Адсорбционная изотерма Гиббса

Адсорбционная изотерма Гиббса — это краеугольный камень в термодинамике поверхностных явлений, связывающий изменение поверхностного натяжения с адсорбцией вещества на поверхности. Она описывает, как концентрация растворённого вещества на границе раздела фаз (адсорбция) зависит от его концентрации в объеме раствора и как это влияет на поверхностное натяжение.

Уравнение Гиббса выражается формулой:

Γ = - (1 / RT) * (∂σ / ∂lnC)T

Где:

• Γ (Гамма) — удельная адсорбция вещества на поверхности (количество вещества, адсорбированного на единице площади поверхности), моль/м²
• R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К))
• T — абсолютная температура (К)
• σ — поверхностное натяжение (Н/м или Дж/м²)
• C — объемная концентрация адсорбируемого вещества (моль/м³ или моль/л)
• (∂σ/∂lnC)_T — производная поверхностного натяжения по натуральному логарифму концентрации при постоянной температуре, характеризующая чувствительность поверхностного натяжения к изменению концентрации.

Интерпретация уравнения Гиббса позволяет понять поведение ПАВ и ПНАВ:

• Для поверхностно-активных веществ (ПАВ): Такие вещества, концентрируясь на поверхности, снижают поверхностное натяжение по мере увеличения их концентрации в объеме раствора. Это означает, что производная (∂σ/∂C) будет отрицательной. Поскольку C всегда положительна, (∂σ/∂lnC) также будет отрицательной. Следовательно, из формулы Гиббса видно, что Γ будет положительной (Γ > 0), подтверждая, что ПАВ адсорбируются на поверхности.
• Для поверхностно-неактивных веществ (ПНАВ): Эти вещества незначительно повышают поверхностное натяжение при увеличении их концентрации (∂σ/∂C > 0), либо не влияют на него. В этом случае производная (∂σ/∂lnC) будет положительной, и, согласно уравнению Гиббса, Γ будет отрицательной (Γ < 0). Это означает, что концентрация ПНАВ в поверхностном слое ниже, чем в объеме, то есть происходит «отрицательная адсорбция» или выталкивание их из поверхностного слоя.

Классификация и подробное описание основных методов измерения поверхностного натяжения

Точное измерение поверхностного натяжения является краеугольным камнем как в фундаментальной науке, так и в многочисленных прикладных областях. Приборы, используемые для этих целей, называются т��нзиометрами. Разнообразие методов обусловлено спецификой измеряемых систем и необходимостью получения равновесных или неравновесных значений. Выбор правильного метода гарантирует достоверность получаемых данных.

Общая классификация методов

Методы измерения поверхностного натяжения традиционно делятся на три основные категории в зависимости от того, насколько близко система находится к равновесию в момент измерения:

1. Статические методы: Эти методы предназначены для измерения поверхностного натяжения равновесных поверхностей, которые были образованы задолго до начала измерений и достигли полного термодинамического равновесия. Они дают истинное значение равновесного поверхностного натяжения.
   • Примеры: Метод капиллярного поднятия, метод лежачей или висячей капли (пузырька).
2. Динамические методы: Эти методы основаны на механических воздействиях, которые вызывают периодические растяжения и сжатия поверхности. Они измеряют неравновесное (динамическое) поверхностное натяжение, которое может изменяться со временем до установления равновесия, особенно в присутствии ПАВ, медленно диффундирующих к поверхности.
   • Примеры: Методы капиллярных волн, колеблющейся струи, колеблющейся капли.
3. Полустатические методы: Эти методы измеряют поверхностное натяжение границы раздела фаз, которая периодически обновляется в процессе измерения. Они могут дать равновесное значение, если время формирования поверхности значительно больше времени, необходимого для установления адсорбционного равновесия в системе. Это делает их пригодными для работы с растворами ПАВ, где равновесие устанавливается не мгновенно.
   • Примеры: Метод максимального давления пузырька, сталагмометрический метод (отрыва капли), метод отрыва кольца Дю Нуи, метод втягивания пластины Вильгельми.

Метод кольца Дю Нуи (метод отрыва кольца)

Один из наиболее классических и широко используемых методов.

• Принцип: Платиновое кольцо, закрепленное на чувствительном торсионном весах или тензометрическом датчике, погружается в жидкость, а затем медленно поднимается из неё. При отрыве кольца от поверхности жидкости измеряется максимальное усилие, которое потребовалось для преодоления сил поверхностного натяжения. Это усилие (F) пропорционально поверхностному натяжению (σ) и длине смоченного периметра кольца.
• Достоинства:
  • Широко применим для различных жидкостей, включая растворы ПАВ.
  • Используется для контроля качества трансформаторных масел и других промышленных жидкостей.
  • Относительно прост в автоматизации.
• Недостатки:
  • Требует использования поправочных коэффициентов (например, по Харкинсу и Джордану) для учета искажения формы мениска, особенно для малых радиусов колец.
  • Чувствителен к чистоте кольца и поверхности жидкости.
  • Необходима тщательная калибровка прибора.

Метод пластинки Вильгельми (метод втягивания пластины)

Ещё один распространённый и надёжный метод.

• Принцип: Тонкая пластинка из платины (или другого материала, который полностью смачивается жидкостью), закрепленная на весах, частично погружается в жидкость. Измеряется сила, которая втягивает пластинку в жидкость (или сила, необходимая для удержания пластинки на определённой глубине погружения). Эта сила (F) складывается из веса пластинки и силы, обусловленной поверхностным натяжением, действующей на периметр смачивания (F = P + σLcosθ, где P — вес пластинки, L — периметр смачивания, θ — краевой угол смачивания). Для полностью смачиваемых поверхностей (θ = 0, cosθ = 1) формула упрощается: F = P + σL.
• Достоинства:
  • Хорошо зарекомендовавший себя метод для определения поверхностных и межфазных натяжений.
  • Относительно прост в использовании с современными тензиометрами.
  • Не требует поправочных коэффициентов, если пластинка полностью смачивается.
• Недостатки:
  • Требует полного смачивания пластинки жидкостью, что может быть проблематично для некоторых систем.
  • Чрезвычайно чувствителен к чистоте поверхности пластинки и жидкости.
  • Возможны погрешности при неточной установке пластинки (непараллельно поверхности).

Метод отрыва капли (сталагмометрический метод)

Простой и доступный метод, часто используемый в учебных лабораториях.

• Принцип: Жидкость медленно вытекает из капилляра с точно откалиброванным концом. Измеряется масса (или объем) капель, которые отрываются от конца капилляра. В момент отрыва капли сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю на капилляре, уравновешивается еë весом.
• Формула (приближенная): F = 2πrσ = mg, где r — радиус капилляра, m — масса капли, g — ускорение свободного падения. Отсюда σ = mg / (2πr).
• Достоинства:
  • Относительно прост в исполнении и не требует сложного оборудования.
  • Может быть использован для сравнения поверхностных натяжений различных жидкостей.
• Недостатки:
  • Точность сильно зависит от правильной формы конца капилляра (должен быть гладким и иметь строго определённый радиус).
  • Чувствителен к скорости образования капель: слишком быстрая скорость приводит к неточным результатам.
  • Требует использования поправочных коэффициентов, так как не вся капля отрывается, а только еë часть.

Метод капиллярного поднятия

Классический статический метод, основанный на явлении капиллярности.

• Принцип: Тонкий капилляр погружается в жидкость, которая смачивает его стенки. Под действием поверхностного натяжения жидкость поднимается по капилляру на определённую высоту (h) до тех пор, пока силы поверхностного натяжения не будут уравновешены весом поднятого столба жидкости.
• Формула (уравнение Жюрена) для смачиваемой жидкости:

h = (2σcosθ) / (ρgr)

Где:

• h — высота поднятия столба жидкости (м)
• σ — коэффициент поверхностного натяжения (Н/м)
• θ — краевой угол смачивания (для полностью смачиваемых жидкостей θ ≈ 0, cosθ ≈ 1)
• ρ — плотность жидкости (кг/м³)
• g — ускорение свободного падения (9,81 м/с²)
• r — радиус капилляра (м)

• Достоинства:
  • Один из самых точных методов для чистых, хорошо смачивающих жидкостей.
  • Не требует калибровки по известным стандартам.
  • Относительно простое оборудование.
• Недостатки:
  • Чрезвычайно чувствителен к чистоте капилляра и точности измерения его радиуса.
  • Неприменим для жидкостей, которые не смачивают стенки капилляра (в этом случае наблюдается капиллярное опускание).
  • Требует точного определения краевого угла смачивания, если он не равен нулю.

Метод максимального давления в пузырьке

Этот метод часто используется для измерения динамического поверхностного натяжения.

• Принцип: Тонкий капилляр погружается в исследуемую жидкость. Через капилляр медленно продавливается газ (например, воздух или азот) с контролируемой скоростью, образуя пузырьки. Измеряется максимальное давление, при котором пузырек достигает полусферической формы и отрывается от конца капилляра. В этот момент капиллярное давление (Δp) максимально и связано с поверхностным натяжением.
• Формула (для случая, когда пузырек имеет полусферическую форму): Δp_max = p_max — p_{гидростат} = 2σ/R, где R — радиус капилляра.
• Достоинства:
  • Позволяет измерять как равновесное, так и динамическое поверхностное натяжение (путем изменения скорости образования пузырьков).
  • Применим для измерения межфазного натяжения на границе жидкость-жидкость (пузырек одной жидкости в другой).
  • Менее чувствителен к загрязнениям поверхности, так как постоянно формируется новая поверхность пузырька.
• Недостатки:
  • Требует точного контроля скорости образования пузырьков.
  • Необходима точная калибровка радиуса капилляра.
  • Сложность в точном определении максимального давления.

Метод лежачей/висячей капли

Современный и универсальный метод, особенно для изучения межфазных явлений.

• Принцип: Метод основан на анализе формы капли (лежачей на поверхности или висячей на кончике иглы/капилляра), которая определяется соотношением плотности, поверхностного натяжения и краевого угла смачивания (для лежачей капли). Форма капли изменяется под действием гравитации и поверхностного натяжения. Измеряются геометрические параметры капли (например, высота, диаметр, радиусы кривизны) с помощью высокоточной видеосистемы, а затем с использованием численных методов или специальных таблиц рассчитывается поверхностное натяжение.
• Достоинства:
  • Очень точный для измерения межфазного натяжения.
  • Позволяет одновременно определять краевой угол смачивания и поверхностную энергию твердых тел.
  • Метод висячей капли особенно полезен для измерения поверхностного натяжения жидкостей при высоких температурах и давлении.
• Недостатки:
  • Требует сложного программного обеспечения и численных методов для обработки изображений и расчетов.
  • Чувствителен к вибрациям и точности измерения геометрических параметров.
  • Может быть сложен для быстрого измерения.

Метод вращающейся капли

Идеален для измерения очень низких значений межфазного натяжения.

• Принцип: Капля одной жидкости помещается в другую, более тяжелую, жидкость, которая не смешивается с первой. Вся система помещается в центрифугу и приводится во вращение. Под действием центробежной силы капля вытягивается в цилиндр. Межфазное натяжение стремится вернуть каплю в сферическую форму, а центробежная сила — деформировать еë. При достижении равновесия измеряется диаметр вытянутой капли.
• Формула (для цилиндрической капли): σ = (Δρ ω² R³) / 4, где Δρ — разность плотностей жидкостей, ω — угловая скорость вращения, R — радиус вытянутой капли.
• Достоинства:
  • Лучший метод для измерения низких и сверхнизких значений межфазного натяжения (порядка 10^-5 — 10^-6 мН/м).
  • Используется для оценки эффективности ПАВ в нефтедобыче, где снижение межфазного натяжения критически важно.
• Недостатки:
  • Ограничен применением к системам жидкость-жидкость.
  • Требует специализированного оборудования и точного контроля скорости вращения.

Сравнительный анализ методов и критерии выбора

Выбор оптимального метода измерения поверхностного натяжения зависит от ряда факторов, включая тип исследуемой системы, требуемую точность, диапазон значений натяжения и наличие примесей.

Метод	Тип поверхности	Основной принцип	Достоинства	Недостатки	Оптимальное применение
Кольцо Дю Нуи	Полустатический	Измерение силы отрыва платинового кольца.	Классический, универсальный, подходит для ПАВ.	Требует поправочных коэффициентов, чувствителен к чистоте, калибровке.	Общие измерения, контроль качества, растворы ПАВ.
Пластинка Вильгельми	Полустатический	Измерение силы втягивания смачиваемой пластинки.	Надежный, точный, без поправочных коэффициентов (при θ=0).	Требует полного смачивания, чувствителен к чистоте пластинки.	Точные измерения поверхностных и межфазных натяжений.
Отрыв капли (сталагмометр)	Полустатический	Измерение массы отрывающихся капель.	Простой, доступный.	Зависит от формы капилляра, скорости образования капель, требует поправочных коэффициентов.	Экспресс-анализ, учебные цели.
Капиллярного поднятия	Статический	Измерение высоты поднятия жидкости в капилляре.	Высокая точность для чистых жидкостей.	Чувствителен к чистоте капилляра, точности радиуса, неприменим для несмачивающих.	Чистые жидкости, фундаментальные исследования.
Максимального давления в пузырьке	Полустатический	Измерение максимального давления для образования пузырька.	Для динамического натяжения, для жидкость-жидкость.	Требует контроля скорости образования пузырьков, точной калибровки капилляра.	Динамические процессы, межфазное натяжение жидкость-жидкость.
Лежачей/Висячей капли	Статический	Анализ формы капли с помощью видеосистемы.	Точный, для межфазного натяжения, краевого угла.	Требует сложного ПО, чувствителен к вибрациям, сложности измерения геометрических параметров.	Межфазное натяжение, смачивание, исследования твердых поверхностей.
Вращающейся капли	Динамический	Измерение деформации капли в центрифуге.	Для сверхнизких межфазных натяжений.	Ограничен системами жидкость-жидкость, требует специализированного оборудования, точного контроля скорости вращения.	Нефтедобыча, эмульсии, сверхнизкое межфазное натяжение.

При выборе метода следует учитывать:

1. Тип измеряемого значения: Требуется ли равновесное или динамическое значение?
2. Природа системы: Чистая жидкость, раствор ПАВ, граница жидкость-жидкость?
3. Диапазон поверхностного натяжения: Для сверхнизких значений (10^-5 мН/м) необходимы специализированные методы (вращающаяся капля).
4. Точность и воспроизводимость: Некоторые методы по своей природе более точны, но требуют более строгого контроля условий.
5. Доступное оборудование: Стоимость и сложность эксплуатации приборов.

Применение поверхностного натяжения в науке, технике и промышленности

Понимание и контроль поверхностного натяжения имеют колоссальное значение, выходящее далеко за рамки академических лабораторий. Это фундаментальное свойство жидкостей находит применение в широчайшем спектре отраслей, от медицины до передовых промышленных технологий. Какой важный нюанс здесь упускается? То, что, по сути, поверхностное натяжение является не просто физической характеристикой, а мощным инструментом для решения сложнейших задач и создания инновационных продуктов.

Биология и медицина

В биологии и медицине поверхностное натяжение играет критическую роль и служит важным диагностическим маркером:

• Диагностическое значение биологических жидкостей: Величина поверхностного натяжения различных биологических жидкостей, таких как кровь, моча, спинномозговая жидкость, может изменяться при патологических состояниях.
  • Желтуха: При этом заболевании в мочу попадают желчные кислоты, которые являются природными ПАВ. Их присутствие резко уменьшает поверхностное натяжение мочи, что может служить диагностическим признаком.
  • Диабет и другие заболевания: Изменение поверхностного натяжения крови может быть связано с повышением содержания липазы или других метаболических сдвигов.
  • Динамическое поверхностное натяжение плазмы/сыворотки крови: Измерение этого параметра является важным для ранней оценки физиолого-биохимического статуса организма и диагностики нарушений. Например, при гнойно-септических заболеваниях, полиорганной недостаточности, диабетическом кетоацидозе и дерматозах значения динамического и равновесного поверхностного натяжения крови могут понижаться на 5–10 мН/м. В то же время при диабетической нефропатии и склеродермии наблюдается возрастание поверхностного натяжения.
• Передвижение насекомых по воде: Водомерки и другие водные насекомые используют высокое поверхностное натяжение воды, чтобы скользить по еë поверхности, не проваливаясь. Их лапки имеют гидрофобное покрытие, что позволяет им создавать небольшие вмятины на поверхности, эффективно распределяя свой вес.
• Роль легочного сурфактанта: Это, пожалуй, один из самых ярких примеров биологической важности поверхностного натяжения. Легочный сурфактант — сложный комплекс липидов и белков, покрывающий внутреннюю поверхность альвеол в лёгких. Его основная функция — значительно снижать поверхностное натяжение альвеолярной жидкости.
  • Пример: В то время как поверхностное натяжение чистой воды составляет около 72 мН/м, а нормальной альвеолярной жидкости без сурфактанта около 50 мН/м, с нормальным количеством сурфактанта оно падает до 5–30 мН/м. Это критически важно, поскольку высокое поверхностное натяжение приводило бы к спадению альвеол при выдохе и значительному увеличению работы дыхания. Дефицит сурфактанта, особенно у недоношенных детей, приводит к тяжелым дыхательным расстройствам.

Материаловедение и нанотехнологии

В этих высокотехнологичных областях контроль поверхностного натяжения является ключевым для создания материалов с заданными свойствами:

• Смачивание и адгезия: Поверхностное натяжение определяет, насколько хорошо одна жидкость смачивает твердую поверхность. Это критически важно при нанесении покрытий (красок, лаков), в процессах пайки, склеивания (адгезии) и других технологических операциях, где требуется равномерное распределение жидкости по поверхности.
• Формирование капель и менисков: Изучение поверхностного натяжения необходимо для понимания и контроля формирования капель (например, при распылении), а также менисков в узких зазорах и капиллярах.
• 3D-печать и нанотехнологии: В аддитивных технологиях (3D-печать) и при создании наноматериалов точный контроль поверхностного натяжения позволяет формировать желаемую структуру и геометрию. Например, при электроформовании нано- и микроволокон, где полимерный раствор под действием электрического поля вытягивается в тонкие нити, величина коэффициента поверхностного натяжения напрямую определяет волокнообразующую способность полимера и энергетическую составляющую всего процесса. Это позволяет создавать волокна с заданным диаметром и морфологией.

Фармацевтика

Фармацевтическая промышленность активно использует знания о поверхностном натяжении для разработки и оптимизации лекарственных форм:

• Создание эмульсий, суспензий, растворов: Поверхностное натяжение играет центральную роль в стабильности и свойствах этих систем. Для создания устойчивых эмульсий (например, масло в воде) необходимо снизить межфазное натяжение между фазами, что достигается добавлением ПАВ (эмульгаторов).
• Абсорбция и доставка лекарственных веществ: Поверхностное натяжение может влиять на скорость растворения активных фармацевтических ингредиентов (АФИ) и их проникновение через биологические мембраны.
• Контроль поверхностного натяжения фармацевтических составов: Часто используются вспомогательные вещества (эксципиенты), такие как гипромеллоза или различные ПАВ, для регуляции поверхностного натяжения.
  • Пример: Более низкое поверхностное натяжение растворов гипромеллозы может улучшать смачивание таблеток или капсул, что ускоряет растворение АФИ и, следовательно, их биодоступность. В офтальмологических растворах (глазных каплях) регуляция поверхностного натяжения (например, с помощью той же гипромеллозы) повышает комфорт при применении и способствует более равномерному распределению и удержанию капель на поверхности глаза, улучшая терапевтический эффект.

Нефтегазовая промышленность

В нефтегазовой отрасли поверхностное натяжение является критически важным параметром для ряда технологических процессов:

• Ректификация и очистка газа: При кипении жидкостей и очистке природного газа от сероводорода образование пузырьков пара или газа напрямую зависит от поверхностного натяжения. От его величины зависит вспенивание очищающего реагента, степень его уноса и условия «захлебывания» колонны очистки, что влияет на еë эффективность и безопасность.
• Нефтедобыча: В процессах увеличения нефтеотдачи пластов широко используются ПАВ. Метод вращающейся капли является незаменимым для измерения низких и сверхнизких значений межфазного натяжения между нефтью и водными растворами ПАВ. Снижение межфазного натяжения позволяет более эффективно вымывать нефть из пористых пород.

Бытовая химия и другие области

• Моющие средства: Поверхностно-активные вещества, являющиеся ключевыми компонентами моющих средств (мыла, порошки, шампуни), снижают поверхностное натяжение воды. Это позволяет воде лучше смачивать загрязненные поверхности, проникать в поры и эффективно удалять жир и грязь.
• Текстильная промышленность: Контроль поверхностного натяжения растворов красителей и пропиток обеспечивает равномерное окрашивание и обработку тканей.
• Пищевая промышленность: В производстве эмульсий (например, майонеза, молока) и пенообразующих продуктов (например, мороженого) поверхностное натяжение играет ключевую роль в стабильности и текстуре.

Метрологические аспекты измерения поверхностного натяжения

Точность и воспроизводимость измерений поверхностного натяжения — это не просто вопрос академической строгости, а залог надёжности результатов в научных исследованиях и промышленных процессах. Достижение высокой метрологической корректности требует учёта ряда важных факторов.

Равновесные и неравновесные измерения

Один из ключевых метрологических аспектов заключается в понимании различий между равновесными и неравновесными значениями поверхностного натяжения, что напрямую связано с выбором метода измерения:

• Статические методы (например, капиллярное поднятие, лежачая/висячая капля) предназначены для измерения равновесного поверхностного натяжения. Они работают с поверхностями, которые сформировались достаточно давно, чтобы система достигла полного термодинамического равновесия. Это означает, что молекулы ПАВ (если они присутствуют) успели адсорбироваться на поверхности и достичь равновесной концентрации.
• Полустатические методы (например, кольцо Дю Нуи, пластинка Вильгельми, максимальное давление в пузырьке, отрыв капли) могут быть использованы для определения равновесного значения, но только при условии, что скорость формирования новой поверхности раздела фаз значительно меньше скорости установления адсорбционного равновесия. Если этот баланс нарушен, метод может дать значение, промежуточное между равновесным и динамическим.
• Динамические методы (например, колеблющаяся струя, капиллярные волны, метод максимального давления в пузырьке при высокой скорости) измеряют неравновесное (динамическое) поверхностное натяжение. Это особенно важно для систем, содержащих ПАВ, где адсорбция на вновь образующейся поверхности занимает определённое время. Динамическое поверхностное натяжение может значительно отличаться от равновесного, и его измерение критически важно для процессов, где поверхности постоянно обновляются (например, вспенивание, распыление).

При подборе тензиометра и методики измерения необходимо четко понимать, какое именно значение поверхностного натяжения требуется для конкретной задачи.

Требования к чистоте и оборудованию

Чистота является абсолютным приоритетом при измерении поверхностного натяжения:

• Чистота веществ: Даже следовые количества примесей, особенно поверхностно-активных, могут существенно исказить результаты. Для точных измерений следует использовать вещества высокой степени чистоты, а дистиллированную и деионизированную воду получать непосредственно перед использованием.
• Чистота оборудования: Все части прибора, контактирующие с жидкостью (капилляры, кольца, пластинки, измерительные кюветы), должны быть тщательно очищены от органических загрязнений (жиров, масел) и остатков моющих средств. Обычно для этого используются специальные растворы, ультразвуковая ванна и последующее многократное ополаскивание чистой водой. Для платиновых элементов часто требуется прокаливание в пламени.
• Калибровка и подбор тензиометра: Тензиометры должны регулярно калиброваться по эталонным жидкостям с известным поверхностным натяжением. При подборе прибора важно учитывать:
  • Диапазон измерений: Прибор должен охватывать ожидаемые значения поверхностного натяжения.
  • Чувствительность и точность: Соответствие метрологическим требованиям задачи.
  • Контроль температуры: Поверхностное натяжение сильно зависит от температуры, поэтому необходимо обеспечить её стабильность и точный контроль во время измерения (термостатирование).

Не существует универсального набора жидкостей для расчета поверхностной энергии твердых тел, так как необходимо учитывать специфичные взаимодействия на поверхности, активность и растворение верхних слоев. Однако для калибровки тензиометров и проверки методик часто используют воду, толуол или этанол.

Стандартизация измерений

Для обеспечения сопоставимости и надёжности результатов измерений поверхностного натяжения в различных лабораториях и отраслях разработаны государственные и международные стандарты (ГОСТы, ISO). Эти стандарты регламентируют методики проведения измерений, требования к оборудованию, реактивам и обработке данных.

Примеры соответствующих стандартов:

• ГОСТ 53770-2010 «Нефть и нефтепродукты. Определение межфазного натяжения методом кольца (Дю Нуи)»: Этот стандарт устанавливает метод измерения межфазного натяжения между нефтью или нефтепродуктами и водой (или водными растворами) с использованием тензиометра с кольцом Дю Нуи. Это критически важно для контроля качества нефтепродуктов и оптимизации процессов нефтедобычи.
• ГОСТ 20287-91 «Нефтепродукты. Методы определения поверхностного натяжения»: Данный ГОСТ содержит различные методы определения поверхностного натяжения для широкого спектра нефтепродуктов, обеспечивая единообразие в их испытаниях.
• ГОСТ Р ЕН 14370-2007 «Поверхностно-активные вещества. Определение поверхностного натяжения»: Этот стандарт регламентирует метод определения поверхностного натяжения поверхностно-активных веществ, что важно для контроля качества сырья и готовой продукции в химической, фармацевтической и бытовой промышленности.

Соблюдение этих метрологических аспектов и стандартов гарантирует, что полученные данные являются достоверными, воспроизводимыми и сопоставимыми, что является основой для принятия обоснованных научных и инженерных решений.

Заключение

Поверхностное натяжение — это не просто абстрактное физическое явление, а одна из фундаментальных сил, формирующих наш мир на микро- и макроуровнях. От изящного танца водомерки на водной глади до тончайших механизмов работы лёгких, от производства высокотехнологичных наноматериалов до разработки эффективных лекарств — везде прослеживается его неуловимое, но мощное влияние.

В рамках данного исследования мы углубились в молекулярную природу поверхностного натяжения, рассмотрев его как следствие нескомпенсированных межмолекулярных сил и избыточной поверхностной энергии, а также проанализировав современные модели, связывающие его с внутренней энергией вещества. Мы изучили ключевые факторы, такие как температура, химическая природа жидкости, примеси (ПАВ и ПНАВ) и природа граничащих фаз, которые формируют и модифицируют это свойство.

Были представлены и детально разобраны теоретические основы, включая уравнение Юнга-Лапласа, описывающее поведение искривленных поверхностей, и адсорбционную изотерму Гиббса, объясняющую взаимодействие веществ с поверхностью. Особое внимание уделено систематизации и подробному описанию основных методов измерения поверхностного натяжения — от классического кольца Дю Нуи до передового метода вращающейся капли, каждый из которых имеет свои уникальные принципы, достоинства и ограничения.

Наконец, мы продемонстрировали широчайший спектр практического применения поверхностного натяжения в самых разнообразных областях: в диагностике заболеваний в медицине, создании новых материалов в нанотехнологиях, разработке стабильных фармацевтических форм, оптимизации процессов в нефтегазовой и химической промышленности. Подчеркнута также критическая важность метрологических аспектов, включая соблюдение стандартов чистоты и использование регламентированных методик, для обеспечения точности и воспроизводимости результатов.

Таким образом, поверхностное натяжение остаётся одной из наиболее интригующих и плодотворных областей для дальнейших исследований. Точные измерения и глубокое понимание этого явления не только способствуют развитию фундаментальной науки, но и открывают новые горизонты для инноваций в самых передовых технологических и промышленных сферах, обеспечивая прогресс и повышая качество нашей жизни.

Список использованной литературы

1. Агапов, Б.Т., Максютин, Г.В., Островерхов, П.И. Лабораторный практикум по физике. – Москва: Высшая школа, 2004.
2. Ахматов, А.С. Молекулярная физика. – Москва: Знание, 2001.
3. Бакушинский, В.Н. Организация лабораторных работ по физике в средней школе. – Москва, 2003.
4. Беклемишев, А.В. Методика и организация лабораторных занятий по физике в высшей школе. – Москва: Советская наука, 2006.
5. Деденко, Л.Г., Керженцев, В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. – Москва, 2001.
6. Евграфова, Н.Н., Каган, В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. – Москва: Высшая школа, 2004.
7. Зайдель, А.Н. Ошибки измерений физических величин. – Ленинград: Наука, 2004.
8. Ковалёв, П.Г. Молекулярная физика, электродинамика. – Ростов: Университетское, 2003.
9. Лабораторные занятия по физике / Под ред. Гольдина, Л.Л. – Москва: Наука, 2005.
10. Лабораторный практикум по физике / Под ред. Ахматова, А.С. – Москва: Высшая школа, 2002.
11. Поверхностное натяжение. Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5 (дата обращения: 04.11.2025).
12. Поверхностное натяжение и связанные с ним явления. Белорусский государственный медицинский университет. URL: https://www.bsmu.by/downloads/mfk/mfk_fizika/poverhnostnoe_natyazhenie.pdf (дата обращения: 04.11.2025).
13. Поверхностное натяжение — формула, коэффициент, определение. Skysmart. URL: https://skysmart.ru/articles/physics/poverhnostnoe-natyazhenie (дата обращения: 04.11.2025).
14. Методы определения поверхностного натяжения. РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина. URL: https://gubkin.ru/faculty/chemical_technology_and_ecology/chairs_and_departments/general_and_analytical_chemistry/laboratory_researches/laboratory_work_1_2013_2.pdf (дата обращения: 04.11.2025).
15. Поверхностное натяжение: определение, формула, примеры и суть простыми словами. Skillbox. URL: https://skillbox.ru/media/science/poverkhnostnoe-natyazhenie-opredelenie-formula-primery-i-sut-prostymi-slovami/ (дата обращения: 04.11.2025).
16. Методы определения поверхностного натяжения. URL: https://www.znanius.com/data/files/1049/2016-02-23_14-16-01_314metody_opredelenija_poverhnostnogo_natjazhenija.pdf (дата обращения: 04.11.2025).
17. Поверхностное натяжение жидкости. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники. URL: https://libeldoc.bsuir.by/bitstream/123456789/22026/1/58-ya_nauchnaya_konferenciya_aspirantov_magistrantov_i_studentov_chast_1_2022_246_247.pdf (дата обращения: 04.11.2025).
18. Приборы для определения поверхностного натяжения растворов. Тирит. URL: https://www.tirith.ru/articles/pribory-dlya-opredeleniya-poverkhnostnogo-natyazheniya-rastvorov/ (дата обращения: 04.11.2025).
19. § 8-1. Поверхностное натяжение: Силы поверхностного натяжения. URL: https://e-gory.ru/fyzika/10/chast1/54.htm (дата обращения: 04.11.2025).
20. Лекция 8 Глава 7. Поверхностное натяжение § 7.1. Молекулярная картина по. URL: https://www.phys.nsu.ru/cherny/lectures/mol_phys/lecture8.pdf (дата обращения: 04.11.2025).
21. Поверхностное натяжение. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/197257905.pdf (дата обращения: 04.11.2025).
22. Измерение поверхностного натяжения и поверхностной энергии. Отличия, методы, сила. Юман. URL: https://www.u-man.ru/poverhnostnoe-natyazhenie-i-poverhnostnaya-energiya-otlichiya-metody-sila/ (дата обращения: 04.11.2025).
23. Поверхностное и межфазное натяжение. Kruss-scientific.com. URL: https://www.kruss-scientific.com/ru/teoriya/poverkhnostnoe-i-mezhfaznoe-natyazhenie (дата обращения: 04.11.2025).
24. § 8-1. Поверхностное натяжение: Поверхностная энергия. URL: https://e-gory.ru/fyzika/10/chast1/54_1.htm (дата обращения: 04.11.2025).
25. Поверхностное натяжение и температура. Элементы большой науки. URL: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434604/Poverkhnostnoe_natyazhenie_i_temperatura (дата обращения: 04.11.2025).
26. Поверхностное натяжение воды при разных температурах. Аналитическая химия. URL: https://www.analytchem.ru/nauch-inform/spravochnik/poverkhnostnoe-natyazhenie-vody.html (дата обращения: 04.11.2025).
27. Определение поверхностного натяжения и контактного угла смачивания по форме поверхности осесимметричных пузырей и капель. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_23403332_63063066.pdf (дата обращения: 04.11.2025).
28. 1.2. Зависимость поверхностного натяжения жидкостей от температуры. ХиМиК.ру. URL: https://www.xumuk.ru/colloidchem/1_2.html (дата обращения: 04.11.2025).
29. Поверхностное натяжение (видео 3) | Силы межмолекулярного взаимодействия | Химия. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=F0l5sV0bV58 (дата обращения: 04.11.2025).
30. 6. Капиллярные явления. Уравнение Лапласа –Юнга. URL: https://e-biblio.ru/book/8100109968/08-glava-5-poverhnostnye-yavleniya-i-dispersnye-sistemy (дата обращения: 04.11.2025).
31. Влияние температуры на поверхностное натяжение. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-temperatury-na-poverhnostnoe-natyazhenie (дата обращения: 04.11.2025).
32. Урок 202. Давление под искривленной поверхностью жидкости. Формула Лапласа. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=1d_h4K6lF-Q (дата обращения: 04.11.2025).
33. Поверхностное натяжение. URL: https://stud.msau.ru/upload/ib/2ea/2ea06ef89c97b83321474a2ff43e69bb.pdf (дата обращения: 04.11.2025).
34. Поверхностное натяжение. Викиучебник. URL: https://ru.wikibooks.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D1%82%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5 (дата обращения: 04.11.2025).
35. ГОСТ 53770-2010. Нефть и нефтепродукты. Определение межфазного натяжения методом кольца (Дю Нуи). URL: https://docs.cntd.ru/document/1200084534 (дата обращения: 04.11.2025).
36. ГОСТ 20287-91. Нефтепродукты. Методы определения поверхностного натяжения. URL: https://docs.cntd.ru/document/9010530 (дата обращения: 04.11.2025).
37. ГОСТ Р ЕН 14370-2007. Поверхностно-активные вещества. Определение поверхностного натяжения. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200057088 (дата обращения: 04.11.2025).