Межфазовое натяжение и адгезия

В отличие от поверхности раздела «жидкость – газ», когда межмолекулярным взаимодействием молекул поверхностного слоя с молекулами газовой фазы можно пренебречь в связи с ее низкой плотностью, величина межфазового натяжения на границе двух жидкостей определяется по существу разницей межмолекулярных взаимодействий молекул поверхностного слоя с молекулами обеих фаз. Поскольку абсолютно нерастворимых друг в друге жидкостей практически нет, то по существу в равновесии будут находиться два насыщенных раствора.

Для экспериментального определения межфазового натяжения можно использовать некоторые из методов для поверхностного натяжения, в частности, метод сталагмометра, метод вращающейся капли. Находит также применение метод наибольшего давления в капле одной жидкости, выдавливаемой в другую. При экспериментальном определении межфазового натяжения следует обязательно использовать такие методы, которые позволяют осуществлять процесс формирования новой поверхности со скоростью, достаточной для насыщения одной жидкости другою, и наоборот. Или проводить такое насыщение жидкостей предварительно. Этим условием в наибольшей степени отвечает метод вращающейся капли.

В том случае, если одна жидкость хорошо смачивает другую, расчет межфазового натяжения можно проводить по эмпирическому правилу Антонова:

σ₁₂ = σ₁ – σ₂,

где σ₁₂, σ₁, σ₂ – поверхностное натяжение на границе двух жидкостей и этих жидкостей на границе с собственным паром. Это правило приблизительно соблюдается для многих систем, но известно и много исключений. Связано это с определенной ориентацией молекул на поверхности раздела фаз (например, с собственным паром), которая может изменяться на границе двух жидкостей, а также в результате присутствия даже ничтожных количеств третьего компонента, способного к изменению межфазного натяжения.

Гаркинс рассмотрел работу адгезии между двумя фазами и связал ее с ориентацией молекул на поверхности раздела фаз. Адгезия по физическому смыслу – явление, близкое к явлению адсорбции, когда две взаимно нерастворимые жидкости, или жидкость и твердое тело, или, наконец, два твердых тела приводятся в тесный контакт друг с другом и под действием межмолекулярных сил притяжения (дисперсионных, полярных или электрических) прочно прилипают друг к другу так, что для их разделения надо приложить определенное усилие или произвести работу.

На рисунке показана модель поверхностного слоя между двумя жидкостями, предложенная Гудом и Фоуксом для расчета межфазового натяжения. Для межфазового натяжения двух жидкостей следует σ₁₂ = σ₁ + σ₂ –W_a.

Межфазовое натяжение определяется не только дисперсионными силами взаимодействия, но и полярными (дипольными, водородной связью и т.д.) только в том случае, если обе фазы полярны. Если обе фазы неполярны, или хотя бы одна из них неполярна, то водородные связи и дипольные взаимодействия не играют существенной роли. Из уравнений следует, что взаимодействие двух контактирующих фаз будет усиливаться при увеличении разности поверхностных натяжений.