Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение — это удельная свободная энергия поверхностного слоя на границе раздела двух фаз, измеряемая работой, которую необходимо затратить на образование 1 см2 поверхности раздела при постоянной температуре. Поверхностное натяжение измеряется в эрг·см-2. Поверхностное натяжение может быть непосредственно измерено только в случае поверхности раздела жидкость — газ (насыщенный пар) или жидкость — жидкость. П. н., измеренное в условиях, когда поверхностный слой еще не достиг равновесного состояния, называют динамическим, а измеренное в равновесных условиях — статическим П. н. Время для достижения равновесного состояния поверхностного слоя чистых жидкостей и растворов низкомолекулярных веществ не превышает обычно нескольких тысячных долей секунды.

Для коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных веществ это время значительно больше и измеряется иногда многими часами.

В биохимических, физиологических и фармакологических исследованиях наиболее распространены следующие методы измерения поверхностного натяжения.

сталагмометр Траубе
Рис. 1. Сталагмометр Траубе.

1. Сталагмометрический метод. Состоит в определении числа капель, образующихся при вытекании данного объема жидкости из капиллярного отверстия специальной пипетки — сталагмометра (рис. 1; 1— верхняя метка, 2— нижняя метка). Определив при помощи одного и того же сталагмометра число капель (n) исследуемой жидкости и число капель (n0) стандартной жидкости (обычно воды) с известным П. н. σ0, вычисляют П. н. исследуемой жидкости а по формуле:
           
где d и d0 — уд. веса исследуемой и стандартной жидкости соответственно.
2. Метод продавливания пузырьков воздуха (предложен П. А. Ребиндером) основан на измерении давления р, необходимого для продавливания пузырька воздуха через капилляр, находящийся в соприкосновении с поверхностью исследуемой жидкости, и давления р0, необходимого для продавливания пузырька воздуха через тот же самый капилляр, находящийся в соприкосновении с поверхностью стандартной жидкости, поверхностное натяжение σ0 которой известно. П. н. исследуемой жидкости σ находят по уравнению:
           

прибор Ребиндера
Рис. 2. Прибор Ребиндера: 1 — сосудик для жидкости; 2 — капилляр; 3 — кран к респиратору; 4 — манометр.

Метод Ребиндера более точен, чем сталагмометрический.



Эти методы пригодны не только для измерения поверхностного натяжения на границе раздела жидкость — газ (воздух), но и на границе раздела двух жидких фаз. В последнем случае капли одной жидкости продавливают через капилляр в приборе Ребиндера (рис. 2) или заставляют вытекать из сталагмометра в другую жидкость.

При растворении в данной жидкости какого-либо вещества наблюдают следующие случаи. 1. Растворенное вещество повышает, обычно незначительно, П. н. растворителя (такие вещества называют поверхностнонеактивными). Поверхностнонеактивными веществами по отношению к воде являются многие неорганические соли, кислоты и также органические вещества, как глицерин, α-аминокислоты, сахар и др. 2. Растворенное вещество понижает П. н. растворителя (такие вещества называют поверхностноактивными). По отношению к воде поверхностноактивными веществами являются многие органические соединения (например, спирты, жирные кислоты, эфиры, гликозиды, белки и др.), молекулы которых являются дифильными и состоят из неполярного, гидрофобного углеводородного остатка и полярной гидрофильной группы. К полярным группам относятся группы -ОН, -СООН, -NH2, -SH, -СНО и др. Мерой поверхностной активности веществ является отношение изменения П. н. Δσ к соответствующему изменению концентрации Δс этого вещества в растворе (т. е. Δσ/Δс). Согласно правилу Дюкло — Траубе поверхностная активность веществ одного и того же гомологического ряда возрастает приблизительно в 3 раза при увеличении углеводородной цени на СH2-группу. Это правило справедливо для разбавленных растворов. В ряде случаев биологическая активность (например, наркотическое действие, бактерицидность и др.) веществ одного и того же гомологического ряда возрастает с увеличением их поверхностной активности в соответствии с правилом Дюкло — Траубе.

Поверхностноактивные вещества адсорбируются положительно на поверхности раздела фаз, поверхностно неактивные — отрицательно (см. Адсорбция).

Поверхностное натяжение цитоплазмы живых клеток на границе с окружающей их жидкой средой имеет крайне низкие значения, равные в среднем 0,2—2,0 эрг·с-2. Чем меньше П. и. на границе соприкосновения клеток, тем легче клетки изолируются одна от другой. Изменение поверхностного натяжения на поверхностях клеток и органелл играет значительную роль в таких явлениях, как клеточное деление, фагоцитоз и пиноцитоз, амебоидное движение, изменение проницаемости клеточных мембран и др.

Статическое П. н. крови человека значительно меньше динамического П. н.; последнее по своей величине близко к П. н. воды (73,04 эрг·с-2 при 18°), тогда как статическое П. н. оксалатной крови у мужчин равно в среднем 55—57, у женщин — 59—62 эрг·с-2 при 18°. Динамическое П. н. плазмы крови подвержено значительным колебаниям при различных заболеваниях; наиболее резкое его изменение наблюдалось при анафилактическом шоке. П. н. плазмы крови организма больного опухолями ниже, чем в норме. С возрастом человека поверхностное натяжение сыворотки крови уменьшается.