Các quá trình dị thể bất kỳ ( như hình thành hay phân hủy các chất rắn, hòa tan các chất rắn, lỏng và khí, bay hơi, thăng hoa, tẩy rửa , tạo nhũ tương, bọt ….) đều là những quá trình xảy ra trên bề mặt phân chia pha. Trạng thái các chất ở bề mặt phân chia pha rất khác với vật chất trong lòng các pha vì có sự khác biệt về tương tác giữa các phân tử với nhau. Sự khác biệt đó làm sản sinh các hiện tượng đặc biệt trên bề mặt phân chia pha.
Viêc nghiên cứu hiện tượng bề mặt có sức lôi cuốn lớn vì nó có tầm quan trọng lý thuyết và thực tế. Nghiên cứu các hiện tượng bề mặt có thể đánh giá được năng lượng và hiểu rõ được bản chất tương tác phân tử. ý nghĩa thực tế của các hiện tượng bề mặt là ở chỗ, vật chất có bề mặt lớn rất phổ biến trong tự nhiên và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Vì vậy việc tìm hiểu về sức căng bề mặt đóng một vai trò rất quan trọng.
Sức căng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng
Sức căng bề mặt được định nghĩa là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt. Trong hệ đo lường quốc tế, sức căng bề mặt được đo bằng Newton trên mét (N·m-1).
Cũng có thể định nghĩa sức căng bề mặt là công cơ học thực hiện khi lực căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi một đơn vị đo diện tích. Như vậy nó cũng là mật độ diện tích của năng lượng; ý nghĩa này mang lại tên gọi năng lượng bề mặt cho đại lượng vật lý này. Như vậy, trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo sức căng bề mặt tương đương Jul trên mét vuông.
Nhiều khi sức căng bề mặt của một chất lỏng được xác định tại một điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, ...) khi bề mặt tiếp xúc với chân không. Sức căng bề mặt của chất lỏng thay đổi theo nhiệt độ; đối với nhiều chất lỏng, sức căng bề mặt giảm khi nhiệt độ tăng. Khi bề mặt là tiếp giáp giữa hai chất lỏng khác nhau, sức căng bề mặt tổng cộng bằng hiệu (cộng véctơ) của sức căng bề mặt từng chất lỏng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt:
Sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của chất tiếp xúc ( bảng 1.1)
Chất lỏng càng phân cực, tương tác phân tử càng lớn, nội áp càng lớn, do đó sức căng bề mặt càng lớn.
Bảng 1.1. Sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với không khí ( I) ở 20oC ( dyn/cm) và của chất lỏng tiếp xúc với nước (dyn/cm)
Sự có mặt trên lớp chất lỏng thứ nhất lớp chất lỏng thứ hai không trộn lẩn với nó luôn luôn làm sức căng bề mặt giảm. Sự giảm sức căng bề mặt càng nhiều nếu sự khác biệt về độ phân cực của hai chất lỏng càng bé. Các chất lỏng có độ phân cực càng gần nhau sẽ tan lẩn với nhau càng nhiều và do đó sức căng bề mặt giữa chúng sẽ bằng không.
Nếu hai chất lỏng chỉ hòa tan một phần vào nhau thì sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng - lỏng gần bằng hiệu số giữa sức căng bề mặt của mỗi chất ( đã bảo hòa chất kia) so với không khí.
Dưới tác dụng của sức căng bề mặt, thể tích khối chất lỏng sẽ hướng tới dạng hình cầu ( nếu không có ngoại lực) vì bề mặt hình cầu là bề mặt bé nhất giới hạn một thể tích chất lỏng đã cho.
Ngoài yếu tố bản chất của các pha tiếp xúc có ý nghĩa quyết định đến giá trị sức căng bề mặt, sức căng bề mặt còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, áp suất, độ cong của bề mặt và đặc biệt là sự có mặt của chất thứ hai trong chất lỏng. Trong phần này chỉ đề cập đến mối quan hệ giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ,
Sức căng bề mặt của đa số chất lỏng giảm gần như tuyến tính khi nhiệt độ tăng ( trừ các kim loại nóng chảy) theo phương trình củaa W. Ramsay và J. Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình của R. Eotvos.
Các chất hoạt động bề mặt, chất không hoạt động bề mặt và chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt của dung môi.
a) Chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt động bề mặt là một chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. Phân tử chất hoạt động bề mặt thường được cấu tạo bởi hai phần:
- Phần có cực: đó là các nhóm chức có cực: -COOH, -CONH2, -C6H4SO3-, - SO32-.... các nhóm này liên kết mạnh với các dung môi có cực như (H2O...) nên phần có cực này được gọi là đầu ưa cực (với dung môi là nước được gọi là đầu ưa nước).
- Phần không cực: đó là các gốc hydrocacbon. Các gốc này liên kết tốt với dung môi không cực nên được gọi là đuôi không cực, hoặc đuôi ưa dầu (kỵ nước).
Một chất hoạt động bề mặt gồm hai nhóm ưa nước và ưa dầu kết hợp với nhau trong phân tử nên được gọi là chất hoạt động bề mặt lưỡng chức.
Người ta thường ký hiệu các chất hoạt động bề mặt theo các kiểu sau:
