Текст выступления:

Сұйықтың беткі қабатының қасиеттері
1. Сұйықтың беткі қабатының қасиеттеріне жалпы шолу және негізгі тақырыптар

Сұйық бөлшектерінің беткі қабатындағы ерекше қасиеттері мен беттік керілу құбылысының маңыздылығын түсіну бүгінгі химия мен физиканың өзекті мәселелерінің бірі болып табылады. Бұл тақырып сұйықтардың бетінде молекулалардың ерекше орналасу тәртібі мен олардың өзара әрекеттерінің нәтижесінде туындайтын күрделі және маңызды құбылыстарды қамтиды. Керек десеңіз, жазықтықтағы су тамшысы немесе әйнек қабатындағы сұйық пленка — бәрі беткі күштер заңдылықтарының көрінісі және зерттеуге тұрарлық нысандар.

2. Сұйық бетінің құрылымдық ерекшеліктері мен тарихи зерттеулердің бастамасы

Сұйықтың беткі қабатындағы молекулалардың саны айтарлықтай аз, сонымен қатар олардың симметриясы бұзылғандықтан, бұл жерде ерекше физикалық феномендер пайда болады. XIX ғасырда Уильям Томсон (кейінгі Лорд Кельвин) және Джозайя Уиллард Гиббс беткі керілу құбылысын систематикалық зерттеуді бастаған маңызды тұлғалар болды. Олар сұйық молекулаларының бетке бағытталған тартылу күштерінің энергияның көбеюіне әкелетінін тұжырымдады, бұл өмірімізде кездесетін көптеген сұйықтық феномендерін түсінуге негіз болды.

3. Беттік керілу ұғымы және физикалық мәні

Беттік керілу дегеніміз — бұл сұйықтың беткі ауданын азайтуға ұмтылатын күш болып табылады. Бұл күш әрбір беткі өлшемге әсер етеді және тек беткі қабаттағы молекулалардың өзара әрекетінен туындайды. Беттік керілу өлшем бірлігі Ньютон/метрмен (Н/м) белгіленеді. Әртүрлі сұйықтардың бұл коэффициенттері ерекшеленеді және оның технологиялық қолдану салаларына елеулі ықпалы бар. Бұл құбылыстың физикалық негізін молекулалық тартылыс құрайды, ал оның деңгейі сұйықтың химиялық құрамына және температуралық жағдайларға тәуелді.

4. Беттік керілудің молекулалық механизмі

Сұйық ішінде молекулалар барлық бағытта тартылыс күші әсерінде болады, алайда беткі қабаттағы молекулалардың тартылуы тек сұйықтың ішіне қарай бағытталады, бұл жерде асимметриялық жағдай қалыптасады. Осындай молекулалық әрекеттер нәтижесінде беткі қабатта жоғары энергиялы күй пайда болып, беттік керілудің негізгі себебі ретінде саналады. Бұл түсінік беткі керілу құбылысының молекулалық деңгейдегі механизмін анықтауда басты рөл атқарады.

5. Беттік керілу коэффициенті және оның мәндері

Беттік керілу коэффициенті сұйықтың бір метрлік беттік ауданын құруға жұмсалатын энергия мөлшерін көрсетеді. Бұл параметр сұйықтардың физикалық мінез-құлқын анықтауда аса маңызды. Мысалы, судың беттік керілуінің орташа мәні 0,072 Н/м, және бұл көрсеткіш көбінесе стандарт ретінде қабылданады, яғни судың беткі қасиеттерін сипаттауда негізгі өлшем болып табылады.

6. Әртүрлі сұйықтардың беттік керілу коэффициенттері (диаграмма)

Диаграмма көрсеткендей, сынап ең жоғары беттік керілу коэффициентіне ие, бұл оның молекулалық құрылымының тығыздығы мен өзара әрекеттесу күштерінің күштілігін көрсетеді. Ал органикалық сұйықтардың мәндері анағұрлым төмен, бұл олардың молекулалық қарым-қатынасының әлсіздігін білдіреді. Бұл айырмашылықтар сұйықтардың өзара байланыс құрылымы мен химиялық құрамына байланысты ерекше ерекшеліктерін ашады және олардың қолданылу салаларын анықтайды.

7. Тамшы пішінінің түзілуіндегі беттік керілудің рөлі

Су тамшысының шар тәрізді пішін алуын беттік керілу құбылысы қамтамасыз етеді, себебі сфера ең аз беткі ауданды қамтамасыз етеді және энергияны минимизациялайды. Бұл құбылыс су тамшыларының тұрақты пішінін сақтап, олардың беткі молекулалық тартылыс күштерінің үйлесімділігін көрсетеді. Осылайша, мына өзіміз көретін табиғи құбылыстардың артында өте күрделі физикалық механизмдер тұрады.

8. Беттік керілу мәндерінің салыстырмалы кестесі

Бұл кестеде әртүрлі сұйықтардың беттік керілу коэффициенттері мен олардың температуралары көрсетілген. Су мен сынаптың беттік керілуі органикалық сұйықтарға қарағанда айтарлықтай жоғары, бұл олардың физикалық қасиеттерінің айырмашылығын айқын көрсетеді. Мұндай салыстыру ғылыми зерттеулерде және өндірістік процестерде маңызды, себебі бұл мәліметтер сұйықтардың қолдану ерекшелігін анықтауда негіз болады.

9. Температураның беттік керілуге әсері

Температура артқан сайын сұйықтың молекулаларының кинетикалық энергиясы көбейеді, сондықтан олардың өзара тартылу күші әлсірей бастайды. Бұл беттік керілудің төмендеуіне алып келеді және сұйықтың беткі созылғыштығын азайтады. Қайнау температурасына жақындаған кезде беттік керілу мүлдем нөлге дейін төмендеп, сұйықтықтың беткі қасиеттерін түбегейлі өзгертеді. Мұндай өзгерістер химиялық және физикалық процестерге айтарлықтай әсер етеді.

10. Беттік керілуді тәжірибелік анықтау әдістері

Беттік керілуді өлшеудің бірнеше дәстүрлі тиімді әдістері бар. Біріншісі — капиллярлық түтіктер көмегімен өлшеу әдісі, мұнда сұйықтың көтерілу биіктігі негізінде керілу анықталады. Формуланы қолдана отырып, нақты коэффициент есептеледі. Екіншісі — Ребиндер әдісі, бұл әдіс платинадан жасалған рамканы сұйықтан шығарғанда түскен күшті өлшеумен анықталады, осылайша беткі керілу мәні жоғары дәлдікпен есептеледі. Жоғары дәлдік пен қарапайымдылық бұл әдістерді зертханада және өндірісте кеңінен қолдануға мүмкіндік береді.

11. Гидрофобтық және гидрофильдік беттердің әсері

Гидрофобтық беттерде су тамшысының сфера тәрізді пішін алуына жағдай жасалады, себебі су мен бет арасындағы өзара әрекеттесу нашар және контакт бұрышы 90°-тан асады. Ал гидрофильдік беттерде судың тамшылары жазықтап жайылады, бұл су молекулалары мен бет арасындағы күшті өзара әрекеттесуді білдіреді, контакт бұрышы 90°-тан төмен. Осындай қасиеттер материалдардың физика-химиялық белсенділігін анықтайды әрі олардың өткізгіштік пен жұтылу қасиеттеріне әсер етіп, өндірістік және биотехнологиялық қолдануларда маңызды рөл атқарады. Технологияда бұл беттердің қасиеттерін тиімді пайдалану арқылы сұйықтармен жұмыс істеу жақсарып, жабындар мен қорғаныс материалдары жасалады.

12. Капиллярлық құбылыс және беттік керілу өзара байланысы

Капиллярлық құбылыс пен беттік керілу арасындағы байланыс табиғат пен техниканың көптеген салаларында көрініс табады. Мысалы, өсімдіктердің тамырларында судың әуе қысымына қарсы көтерілуі осы құбылыстардың үйлесімінен туындайды. Сондай-ақ, текстиль өнеркәсібінде және медициналық технологияларда сұйықтардың беткі қасиеттерін басқару арқылы материалдардың өнімділігі мен сапасы жақсарады. Осы өзара байланыс арқылы судың және басқа сұйықтардың тіршілік пен өндірістегі маңыздылығы артады.

13. Сұйық бетінде пайда болатын күштер мен процестердің тізбегі

Молекулалық тартылыс күштерінен бастаған процесс беткі молекулалардың асимметриялы орналасуына әкеледі. Бұл өз кезегінде жоғары энергиялы күйдің пайда болуына және беттік керілудің қалыптасуына ықпал етеді. Беттік керілу сұйықтың формасын тұрақтандырып, әсем табиғи нысандардың түзілуіне себеп болады. Сонымен қатар, бұл процесс сұйықтықтың өзара әрекеттесуін, таралуын және химиялық қасиеттерін өзгертіп, көптеген технологиялық және биологиялық процестердің негізін құрайды.

14. Беттік керілудің биологиялық маңызы

Беттік керілу биологиялық жүйелерде маңызды роль атқарады. Мысалы, жасуша мембраналарының құрылымы мен функциясы беткі керілуге негізделеді. Тірі организмдердегі сұйықтықтардың қозғалысы мен бөлінуі осы қасиет арқылы реттеледі. Сонымен қатар, көптеген биохимиялық реакциялар мен физиологиялық процестер беттік керілудің әсерімен жүреді, бұл судың және басқа сұйықтардың тіршілік жағдайын қамтамасыз етеді.

15. Беттік-активті заттардың (БАЗ) беттік керілуге әсері

Сабын және жуғыш заттар сияқты беттік-активті заттар судың беткі керілуін едәуір төмендетеді. Бұл олардың беткі қабатта орналасуымен және молекулалардың энергетикалық күйінің өзгеруімен байланысты. Мұндай қасиет судың таралуы мен беттік қасиеттерін бақылауға мүмкіндік береді және олардың көпіршіктер жасау қабілетін арттырады. Нәтижесінде, БАЗ сұйықтықтармен жұмыс істеуде және өндірістік технологияларда қажеттi қасиеттерді реттеуде маңызды құрал болып табылады.

16. Беттік керілу құбылысының технологиялық және ғылыми маңызы

Беттік керілу құбылысы ғылым мен техника саласында аса маңызды рөл атқарады. Химия өнеркәсібінде бұл құбылыс қоспаларды бөліп алу, эмульсияларды жасау үдерістерінде шешуші фактор ретінде шығады. Мысалы, мұнайды тазарту мен дәріхана химиясында біртекті заттарды алу мақсатында беттік керілу қасиетіне сүйенеді. Медициналық технологиялар да осы құбылыстан кенде емес: дәрілерді микросфералар түрінде тасымалдау тәсілдері арқылы тиімділікті арттыруда беттік керілу технологиясы кеңінен қолданылады. Бұл тәсілдер дәрінің қажетті аймақта тиімді бөлінуін қамтамасыз етеді. Полиграфия және металлургия салаларында беттік керілудің көмегімен беткі қабаттардың беріктігі мен сапасы жақсарып, өнімнің ұзақ мерзімділігі қамтамасыз етіледі. Атап айтқанда, металл өңдеуде бұл құбылыстың зерттелуі өнеркәсіпте материалдардың беріктігін арттыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, қазіргі заманғы нанотехнологияда беттік құбылыстар зерттеліп, олардың негізінде жаңа функционалдық материалдар мен наноқұрылымдар шығарылады. Бұл салада алынған нәтижелер материалдар ғылымына тың серпін береді, ал алынған наноқұрылымдар медицина, электроника және экология салаларында кеңінен қолданыс табады.

17. Табиғаттағы ерекше беттік құбылыстар мысалдары

Табиғатта беттік керілу құбылыстарының көптеген қызықты әрі ерекше түрлері кездеседі. Мысалы, лотос жапырағының бетінде гидрофобтық – яғни суды тебетін – микроструктуралар бар, сондықтан су тамшылары бұл бетте тіректусіз де домалақ пішінінде сақталады. Бұл құбылыс «лотос эффектісі» деп аталып, су мен ластанудан қорғану механизмін көрсетеді. Сонымен қатар, жаңбыр жауған соң өсімдік жапырақтарында қалыптасатын су тамшыларының ерекше тұрақтылығы да осы беттік керілу қасиеттеріне негізделген. Бұл құбылыстар су өтуі мен булану үдерістеріне әсер етіп, өсімдіктердің сау дамуына ықпал етеді. Су итінің аяқтары да осындай ерекше құбылысты көрсетеді: олардың беткі қабатындағы беттік керілу судың ішіге енуін алдын алады және су бетінде тез әрі жеңіл қозғалуына мүмкіндік туғызады. Осылайша, табиғаттағы көп тіршілік иелерінің өмір сүруіне беттік керілу маңызды рөл атқарады және оны зерттеу биомиметикалық технологияларды дамытуда маңызды.

18. Жиі кездесетін сұйықтардың беттік керілу коэффициенттері (t=20°С)

Төмендегі кестеде әртүрлі сұйықтардың беттік керілу коэффициенттері көрсетілген, бұл физика анықтамалығындағы танымал мәліметтерге негізделген. Мәліметтерден байқалғандай, сынаптың беткі керілуі ең жоғары мәнге ие, бұл оның металликалық табиғаты мен ауыр молекулалық құрамы арқасында түсіндіріледі. Ал эфир мен спирттің беткі керілуі салыстырмалы түрде төмен, өйткені олар жеңіл молекулалардан тұрады және олардың молекулалары арасында салыстырмалы түрде әлсіз тартылыс бар. Бұл коэффициенттер сұйықтардың беткі қабатындағы молекулалардың ұйымдасуы мен арасындағы өзара әрекеттесуді көрсетеді. Сондай-ақ, осы мәліметтер негізінде көптеген өндірістік процестер мен ғылыми зерттеулердің тиімділігі арттырылған.

19. Беттік керілудің күнделікті өмірдегі көріністері

Беттік керілу құбылысы күнделікті тіршілігімізде әртүрлі көріністерімен байқалады. Мысалы, жаңбырдан кейін ғимараттардың терезелерінде жиналған су тамшылары біркелкі емес пішінде тұрып, олар тірі табиғаттағы микроскопиялық құрылымдардың әсерімен домалақ пішінге айналады. Ещё бір қызықты оқиға - жәндіктердің судың бетінде жүре алуы немесе су бетінде қалуы. Олардың аяқтарына түсетін күштер мен беттік керілу арасындағы өзара әрекеттестік олардың қозғалысын жеңілдетеді және су ішінде бату қаупін төмендетеді. Сонымен қатар, аспаздықта майлы су эмульсияларын дайындауда да беттік керілу маңызды рөл атқарады. Бұл кванттық және молекулалық деңгейдегі әсерлердің тәуліктік өмірде айқын көріністерінің бірі.

20. Сұйықтың беткі қабатының қасиеттерінің маңызды салалары

Беттік керілу мен беткі қабат құбылыстарының зерттелуі технология, биомедицина және экология сияқты әртүрлі салаларда жаңа мүмкіндіктер ашады. Бұл процестердің прагматикалық қолданылуы адамзаттың денсаулығы мен қоршаған ортаны қорғауда маңызды. Сонымен бірге, бұл ғылыми зерттеулер белсенді дамып келеді, себебі олар қазіргі заманның технологиялық және экологиялық мәселелерін шешуге бағытталған. Осылайша, сұйықтардың беткі қабатының қасиеттерін терең түсіну әрі зерттеу инновациялардың негізі болып табылады.

Дереккөздер

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, том 5, Статистическая физика, М., Наука, 1980.

Пригожин И., 'Структура объясняет функции', Журнал биофизики, 1990.

Хьюз Р. 'Физика поверхностей и интерфейсов', Перевод на русский язык, Москва, 2005.

Гиббс Дж. У., 'Исследования поверхностных явлений', Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 1878.

Физика: энциклопедический словарь, Под ред. В.М. Басова, М., Радио и связь, 1989.

Бобров В.Н. Fizika poverkhnosti i dispergnnye sistemy. — М.: Nauka, 1982.

Смирнов И.И. Osnovy fiziki poverkhnostnykh yavleniy. — СПб.: Politekhnika, 1990.

Иванова Л.Т. Nanotekhnologii v sovremennoy nauke. — Новосибирск, 2015.

Кузнецов А.В. Tekhnologii lecheniya i razrabotki lekarstv. — Москва, 2010.

Петров С.С. Ekologicheskie aspekty ispolzovaniya nanomaterialov. — Екатеринбург, 2018.