Napięcie powierzchniowe jest to zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazem lub inną cieczą. Zjawisko to spowodowane jest istnieniem niezrównoważonych na powierzchni cieczy sił przyciągania międzycząsteczkowego. Na cząsteczkę cieczy znajdującą się w głębi cieczy działają symetryczne siły oddziaływania międzycząsteczkowego ( Rys. 1 ). Cząsteczka znajdująca się na powierzchni cieczy doznaje działania sił międzycząsteczkowych tylko od strony cieczy. Siła wypadkowa działająca na cząsteczkę znajdującą się na powierzchni cieczy zmierza do wciągnięcia tej cząsteczki w głąb cieczy. Ciecz zachowuje się tak, jakby jej powierzchnia była pokryta elastyczną błonką, wykazującą tendencję do kurczenia się. Ze względu na występowanie napięcia powierzchniowego, ciecze wykazują tendencję do przyjmowania kształtu, któremu odpowiada najmniejsza energia. Krople wody zawsze dążą do przyjęcia kształtu kulistego. Kula jest bryłą geometryczną, która wykazuje najmniejszy stosunek powierzchni do objętości.

Aby zwiększyć powierzchnię cieczy, należy wykonać pracę, która jest wyrażona równaniem ( 1 ).

gdzie W – oznacza pracę wykonaną w celu zwiększenia powierzchni cieczy, A – powierzchnię cieczy, natomiast współczynnik proporcjonalności \( \sigma \) nosi nazwę napięcia powierzchniowego i jest on wyrażony w \( \ce{[J*m^2]} \). Miarą napięcia powierzchniowego jest praca, jaką trzeba wykonać, aby zwiększyć powierzchnię cieczy o jednostkę powierzchni [1].

Napięcie powierzchniowe zależy od temperatury cieczy i ze wzrostem temperatury napięcie powierzchniowe maleje. Napięcie powierzchniowe cieczy można zmniejszyć poprzez dodanie do niej substancji powierzchniowo-czynnych zwanych surfaktantami (mydła, detergenty). Cząsteczka surfaktantu zbudowana jest z dwóch grup. Jedna z nich wykazuje niskie powinowactwo do rozpuszczalnika (grupa liofobowa), a druga grupa wykazuje silne powinowactwo do rozpuszczalnika (grupa liofilowa). Cząsteczki surfaktantu gromadzą się na granicy faz (np. ciecz/gaz) i każda z grup miesza się z odrębną fazą, co skutkuje zmniejszeniem napięcia powierzchniowego.

Siły napięcia powierzchniowego mają wpływ na kształt swobodnej powierzchni cieczy. Z oddziaływaniem napięcia powierzchniowego związany jest kulisty kształt kropel wody, powstawanie menisku, tworzenie się pęcherzyków, baniek oraz wznoszenia się cieczy w cienkich rurkach zwanych kapilarami (zjawisko włoskowatości). Zakrzywienia powierzchni swobodnej cieczy występujące na granicy dwóch faz (np. cieczy i ciała stałego), spowodowanie współdziałaniem sił napięcia powierzchniowego oraz sił przylegania (adhezji) prowadzi do powstania menisku.

Menisk wypukły powstaje, gdy siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ściankami naczynia są mniejsze od sił oddziaływań samych cząsteczek cieczy. Menisk wklęsły powstaje, gdy siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ściankami naczynia są większe od siły wzajemnych oddziaływań cząsteczek cieczy. W cienkich rurkach (kapilarach) menisk może spowodować podniesienie lub obniżenie słupa cieczy w zależności od kąta zwilżania. W przypadku menisku wklęsłego (ciecz zwilża ścianki naczynia) tworzącego się w cieczy znajdującej się w cienkiej szklanej rurce, słup cieczy jest podnoszony na znaczną wysokość. Jeśli ciecz nie zwilża ścianek naczynia, wówczas tworzy się menisk wypukły, a słup cieczy jest obniżany ( Rys. 2 ).

Pomiar napięcia powierzchniowego

Metody pomiaru napięcia powierzchniowego można podzielić na metody bezwzględne i metody względne. Metody bezwzględne pozwalają na bezpośredni pomiar napięcia powierzchniowego, natomiast metody względne pozwalają na wyznaczenie parametrów służących do obliczania napięcia powierzchniowego badanej cieczy i porównania ich z takimi samymi parametrami wyznaczonymi dla cieczy o znanym napięciu powierzchniowym.

Metody bezwzględne:

• metoda kapilarna – polega na pomiarze wysokości wzniesienia cieczy w dwóch rurkach o różnej średnicy lub pomiarze ciśnienia powstającego w rurce kapilarnej,
• metoda maksymalnego ciśnienia w kroplach lub pęcherzykach – polega na pomiarze maksymalnej wartości ciśnienia podczas wtłaczania powietrza do cieczy lub podczas tworzenia się kropli na rurce.

Metody względne:

• metoda stalagmometryczna – polega na wyznaczeniu masy kropli, która odrywa się od rurki kapilarnej stalagmometru lub wyznaczeniu liczby kropel, które powstają podczas wypływania z rurki cieczy o znanej objętości i gęstości,
• metoda tensjometryczna – polega na pomiarze siły, jakiej trzeba użyć do oderwania pierścienia wykonanego z cienkiego drutu platynowego lub ramki wyciąganych z cieczy. Pierścień lub ramka są przytrzymywane w cieczy siłą napięcia powierzchniowego [2].

Jeśli ciało stałe łatwo pokrywa się warstwą wody, to mówi się, że posiada ono właściwości hydrofilowe (materiał łatwo zwilżalny), natomiast materiał trudno zwilżalny ma właściwości hydrofobowe. W zależności od charakteru powierzchni danego materiału, kropla wody rozpłynie się na niej, bądź pozostanie na nim zachowując swój kulisty kształt. Zdolność do zwilżania ciała stałego przez ciecz jest charakteryzowana za pomocą kąta zwilżania. Rys. 3 przedstawia kąt zwilżania dla cieczy całkowicie zwilżającej ciało stałe (a) i dla cieczy niezwilżającej powierzchni ciała stałego (b).

Kąt zwilżania zależy od napięcia powierzchniowego występującego na granicy faz: ciało stałe (s) / ciecz (c), ciało stałe (s) / gaz (g) i ciecz (c) / gaz (g) zgodnie z równaniem ( 3 ).

gdzie \( \sigma_{gs} \) oznacza napięcie powierzchniowe na granicy gaz/ciało stałe, \( \sigma_{cs} \) – napięcie powierzchniowe na granicy ciecz/ciało stałe, \( \sigma_{gc} \) – napięcie powierzchniowe na granicy gaz/ciecz.
Jeśli \( cos\theta \) jest równy jeden, to ciecz zwilża powierzchnię ciała stałego, jeśli cos \( cos\theta \) jest równy minus jeden, to ciecz nie zwilża powierzchni ciała stałego. Wartość \( cos\theta \) jest nazywana współczynnikiem zwilżalności.

Zjawisko zwilżania jest bardzo ważne w wielu procesach technologicznych, np. wytwarzania materiałów kompozytowych, nakładania powłok metalicznych. Zwilżalność odgrywa istotną rolę w korozji atmosferycznej, a także przy nanoszeniu farb, lakierów czy powłok organicznych. W celu podniesienia odporności na korozję na metalach lub stopach wytwarza się hydrofobowe powłoki, które ograniczają zwilżalność materiału przez elektrolit. Kąt zwilżania większy od zera umożliwia unoszenie się na powierzchni cieczy ciał stałych o gęstości większej od gęstości cieczy. Zjawisko to wykorzystywane jest w procesie flotacji, która polega na rozdzieleniu ciał stałych rozdrobnionych wykorzystując różnice zwilżalności. Kąt zwilżania zwiększa się podczas impregnacji tkanin, dzięki czemu uzyskują one wodoodporność.