povrchové napětí kapalin

povrchové napětí kapalin
surface tension of liquids

Síla, která působí ve směru tečny k povrchu na úsečku jednotkové délky, tedy mezifázové napětí v systémech kapalina/plyn. Rozměr této veličiny, označované symbolem γ, popř. σ, je síla/délka – v SI soustavě N m^–1; častěji se používá jednotky tisíckrát menší, mN m^–1, hodnoty jsou pak stejné jako hodnoty vyjádřené ve starších jednotkách dyn cm^–1. Povrchové napětí kapaliny je číselně i rozměrově rovno povrchové energii. Je to veličina jednoznačně definovaná, dobře měřitelná (viz měření povrchového a mezifázového napětí).

Vliv teploty, tlaku a zakřivení fázového rozhraní na povrchové napětí

Teplotní závislost povrchového napětí. Povrchové napětí s teplotou vždy klesá, při kritické teplotě je rovno nule. Nejznámější vztah, vyjadřující závislost povrchového napětí na teplotě, je Eötvösova rovnice, nejčastěji používaná ve tvaru

při vyšších teplotách s korekčními členy

nebo

kde k je empirická konstanta (v SI soustavě má pro nepolární sloučeniny hodnotu přibližně 2,12∙10^–7), ρ_ℓ hustota kapaliny, ρ_g hustota rovnovážné parní fáze, T_c kritická teplota a T_x konstanta, jež má pro většinu látek hodnotu 6 K, M molární hmotnost (jestliže u kapaliny dochází k asociaci nebo disociaci, je nutno použít střední molární hmotnost směsi).

V malém teplotním rozmezí klesá povrchové napětí s teplotou prakticky lineárně. Pro hrubý odhad teplotní závislosti povrchového napětí bývají používány vztahy

nebo

kde a a b jsou konstanty, stanovené z jedné experimentální hodnoty povrchového napětí.

Pro mnoho průmyslově významných látek jsou data uváděna ve tvaru

kde T_r = T/T_c je redukovaná teplota a A a n jsou konstanty, zjištěné na základě experimentálních hodnot (n je pro řadu kapalin 1,23).

Tlaková závislost povrchového napětí není významná, povrchové napětí s tlakem většinou slabě klesá.

Vliv zakřivení fázového rozhraní na hodnotu povrchového napětí je důležitý pouze v oblasti velmi malých zakřivení blížících se molekulárním rozměrům. Uplatňuje se např. v nukleačních teoriích, kde je nutno uvažovat povrchovou energii velmi malých zárodků.

Hodnoty povrchového napětí

U čistých kapalin se hodnoty povrchového napětí pohybují ve velmi širokém rozsahu. Povrchová napětí zkapalněných plynů jsou velmi nízká; např. u helia je to 0,354 mN m^–1 při teplotě –270°C, pro vodík 1,91 mN m^–1 při teplotě –253°C. Velmi vysoké povrchové napětí mají roztavené kovy (např. měď při teplotě tání γ = 1100 mN m^–1; rtuť při 0°C γ = 470 mN m^–1). Hodnoty povrchového napětí řady organických látek jsou v rozmezí přibližně 15 – 40 mN m^–1 a lze je najít např. v publikaci [70]. K odhadu povrchového napětí čistých organických látek se používá veličina zvaná parachor.

Pro povrchové napětí vody v rozmezí teplot 0 až 30°C byl lineární regresí dat ze stejného zdroje odvozen interpolační vztah (t je teplota ve °C)
U roztoků závisí hodnota povrchového napětí jak na povaze rozpuštěné látky i rozpouštědla tak na koncentraci roztoku a je i funkcí času, protože k ustavení adsorpční rovnováhy je zapotřebí určité doby (viz povrchové napětí roztoků).

Grafy souvislostí do úrovně: I

povrchové napětí kapalinsurface tension of liquids

povrchové napětí kapalin
surface tension of liquids