Поверхностное натяжение: общие сведения и биологическое значение

Между молекулами жидкости существуют силы сцепления, разные для поверхностных и глубинных (внутренних) слоев. Молекулы, находящиеся на поверхностном слое, получают одностороннее притяжение со стороны глубинных слоев, а в глубинных слоях силы притяжения между молекулами взаимно уравновешиваются. Молекулы поверхностного слоя притягиваются молекулами воздуха и пара меньше, их равнодействующая сила направлена вниз, и поверхностный слой молекул как бы втягивается глубинными слоями. Поверхностное натяжение в свою очередь зависит от природы жидкости и граничных сред, окружающей температуры, наличия в жидкостях примесей и т. д.

Чтобы увеличить поверхность жидкости, следует проделать определенную работу, направленную против сил поверхностного натяжения. От значения коэффициента поверхностного натяжения зависит размер капель, мениск, величина пузырьков газа, проходящего через жидкость, смачиваемость и несмачиваемость жидкостью поверхности твердого тела и др.

Сила поверхностного натяжения также зависит от давления пара над жидкостью: чем больше пара, тем меньше величина внутреннего давления жидкости. Если жидкость граничит с воздухом, то молекулы ее поверхностного слоя почти не подвергаются силам притяжения со стороны газообразной фазы. В тех случаях, когда давление пара над жидкостью возрастает, ее поверхностное натяжение будет меньшим. Таким образом, молекулы поверхностного слоя не уравновешены, а поэтому система на поверхности раздела фаз всегда имеет определенный излишек свободной энергии. При всех других одинаковых условиях этот излишек тем больше, чем большая поверхность. Согласно второму закону термодинамики, система стремится уменьшить внутреннюю энергию. Поэтому процесс уменьшения поверхности раздела является процессом самостоятельным. Именно поэтому жидкость, на которую не действуют никакие силы, образует форму шара, поскольку такая форма при определенном объеме имеет наименьшую поверхность.

На величину поверхностного натяжения влияет и величина углеводородного радикала вещества. Так, если взять несколько карбоновых кислот одного и того же гомологического ряда (НСООН,СН3СООН, С2Н5СООН, С3Н7СООН), то поверхностное натяжение их уменьшается по мере удлинения карбоновой цепи – в 3,2 раза на каждую группу СН2.

Наличие примесей различных веществ в жидкостях влияет на величину поверхностного натяжения. Многие вещества, главным образом органические, понижают поверхностное натяжение. Такие соединения называются поверхностно-активными (белки, желчные кислоты, мыла, спирты, альдегиды, сложные эфиры, кетоны, танниды и др.). Вещества, наличие которых существенно не влияет на поверхностное натяжение, называются поверхностно-инактивными (фруктоза, глюкоза, крахмал и др.). Уменьшение поверхностного натяжения имеет большое значение в процессах всасывания жидких питательных веществ эпителием слизистой оболочки кишок. Так, жиры и другие липиды в пищевой канал поступают в виде капель. Эти капли эмульгируются желчью в тонкой кишке и после этого становятся доступными для гидролитического расщепления липазой и другими липолитическими ферментами. Добавление к жидкостям поверхностно-активных веществ увеличивает их способность смачивать обрабатываемую поверхность. При использовании инсектицидов часто добавляются мыла, что позволяет им хорошо контактировать с поверхностью тела насекомых и оказывать инсектицидное действие.

Поверхностное натяжение жидкости: методы его определения

Существует ряд методов определения поверхностного натяжения: сталагмометрический, по высоте поднятия жидкости в капилляре, наибольшего давления в пузырьках, по отрыву кольца.

Чаще всего используется сталагмометрический метод, основанный на использовании особого прибора — сталагмометра. Он представляет собой капиллярную трубку с верхней и нижней метками и расширением. В сталагмометр набирается вода до метки, после чего она выпускается и подсчитывается число капель. После чего тоже самое проделывается и с исследуемой жидкостью. При действии сил поверхностного натяжения вытекающая жидкость и вода принимают вид шаровидных капель.

Поверхностное натяжение в жизни организмов

Поверхностное натяжение является одним из факторов, определяющих форму клетки и ее частей. Клетка - элементарная частица живой материи, из которой состоит организм человека, животных и растений. Для клеток, у которых прочная и жесткая поверхность (растения, микроорганизмы), значение поверхностного натяжения невелико. Большинство клеток организма животного имеет форму, близкую к сферической. Малое поверхностное натяжение позволяет клеткам легко изолироваться одна от другой. Форма клеток, прикрепленных к другим клеткам или к субстрату, зависит от других факторов — их цитоскелета, образованного комплексом мембран, контактных структур и др. Отдельные виды клеток (например, лейкоциты и яйцеклетки) при освобождении от действия поверхностного натяжения приобретают форму шара и теряют активность. Локальным изменениям поверхностного натяжения принадлежит важная роль в процессах восприятия и передачи нервных импульсов, в фагоцитозе, пиноцитозе, гаструляции, амебоидном движении и, особенно, в проницаемости клеточных мембран.