67
9. Povrchové napětí kapalin. Povrchová energie pevných
látek. Tekuté krystaly.
Cíl:
Poznat jevy povrchového napětí, které pozorujeme téměř všude v přírodě kolem nás a
nacházejí využití v mnoha odvětvích lidské činnosti, v chemii, biologii, v domácnosti,
průmyslu, zemědělství, atd. V následujících podkapitolách je uveden přehled alespoň
některých z nich.

9.1. Povrchové napětí kapalin.
Kapalné skupenství látek je s jedné strany ohraničeno skupenstvím pevným a s druhé
strany skupenstvím plynným. Proto je přirozené očekávat, že kapaliny budou mít vlastnosti a
strukturu, nacházející se někde mezi uspořádanými pevnými látkami a chaotickými plyny.
Hustota kapalin se příliš neliší od hustoty pevných látek (kde se atomy nacházejí v těsné
blízkosti) a proto i v kapalinách budou tyto částice (atomy nebo molekuly) dosti blízko u
sebe, ale přitom nebudou na sebe vázány tak velkými silami jako v pevných látkách (proto
kapaliny nemají stálý tvar), ale přesto ještě dosti velkými (takže kapaliny udržují svůj objem).
Podle Frenkela připomíná pohyb částic v kapalinách pohyb kočovníků: částice poskočí
o malý úsek, chvíli kmitá na místě a opět poskočí náhodným směrem a zase kmitá, atd.
Vyjdeme-li tedy z tohoto kvalitativního modelu kapaliny a vybereme-li si jednu částici
uvnitř kapaliny, můžeme říci, že výslednice meziatomových (nebo mezimolekulárních) sil,
které na ni působí, je nulová. Zcela jinak je tomu blízko povrchu a na povrchu kapaliny. Tam
je výslednice sil, působících na částici nenulová a směřuje dovnitř kapaliny (Obr.9.1). Situace
je tedy taková, jakoby byla kapalina stlačena silou, působící směrem dovnitř kapaliny. Ta síla
je, ač se to na první pohled nezdá, značná – kapalina je stlačena tak, že se jeví navenek jako
téměř nestlačitelná. Jinými slovy to znamená, že na povrchu kapaliny je něco, co připomíná
tenkou elastickou blanku, snažící se co nejvíce zmenšit svůj povrch (Obr.9.2).
Obr.9.1. Ke vzniku síly povrchového Obr.9.2. Směr síly povrchového napětí .
68
Například v beztížném stavu zaujme pod vlivem této síly kapalina tvar koule (při
daném objemu má minimální povrch). Stejně je tomu i v případě, že výslednice sil,
působících na kapalinu, je nulová (Obr.9.3.)
Obr.9.3. Tvar povrchu kapaliny v beztížném stavu (po dopadu kapičky na
povrch kapaliny vznikne v jistém kratičkém časovém intervalu tento
tvar povrchu kapaliny. Síla tíhová je zde rovna síle setrvačné směrem
nahoru a dochází pro tuto chvíli k beztížnému stavu. Jedinou silou,
působící na kapičku, je síla povrchového napětí).
Povrchové napětí je definováno jako síla dF, působící na jednotku délky povrchu dl
(tečně k povrchu kapaliny)
dl
dF
 (7.1)
Nebo jako energie dE jednotky povrchu kapaliny dS
dS
dE
 (7.2)
(v tomto případě se jedná o tzv. volnou energii, definovanou v termodynamice pomocí vztahu
dE = -S.dT – p.dV, kde S je entropie soustavy, charakterizující její uspořádání a p, T a V jsou
její tlak, teplota a objem. Dochází-li ke změně povrchu kapaliny izotermicky, je teplota
konstantní a tedy dT = 0 a změnu objemu lze snadno převést na změnu povrchu)
Povrchové napětí kapalin závisí na více parametrech (to plyne z Obr.9.1.) Bude záviset
na kvalitě přechodu kapalina – plyn i na prostředí nad kapalinou, tedy zřejmě na hustotě obou
prostředí, teplotě, tlaku čistotě kapaliny, apod.:
f (T, p, , čistota, tenze par, ….) (7.3)
69
Obdobu povrchového napětí kapalin mají i pevné látky (ztuhnutím by se nemělo nic příliš
měnit na kvalitativním Obr.9.1). V případě pevných látek se povrchové napětí nazývá
povrchovou energií pevných látek. Proto můžeme kvalitativně i kvantitativně objasnit tvar
povrchu kapaliny na rozhraní tří prostředí, pevného, kapalného a plynného, stejně jako tvar
kapiček jedné kapaliny na povrchu druhé (nejsou-li navzájem rozpustné), nebo na povrchu
pevné látky. Některé z těchto případů jsou uvedeny na Obr.9.4 a 9.5.
Obr.9.4. Tvar kapiček jedné kapaliny na kapalině druhé.
Obr.9.5. Tvar kapiček kapaliny na pevném povrchu (např. skle).
9.2. Výskyt a využití povrchového napětí.
Jevy povrchového napětí pozorujeme téměř všude v přírodě kolem nás a nacházejí
využití v mnoha odvětvích lidské činnosti, v chemii, biologii, v domácnosti, průmyslu,
zemědělství, atd. Uvedeme přehled alespoň některých z nich:
a) Využití v chemii: jevy povrchového napětí jsou podstatou celých odvětví chemie, jako
je např. koloidní chemie, chromatografie, vysvětluje vlastnosti povrchově aktivních
látek a katalyzátorů, atd.
b) Využití v biologii: povrchové napětí vysvětluje mnoho jevů, souvisejících s činností
buněk, stejně jako kapilární jevy v rostlinách, atd.
c) Využití v domácnosti: mytí, praní, holení, jsou činnosti, které mají společnou
podstatu. Jde o umožnění smáčení nečistot a tím jejich odstranění. Studená voda má
vysoké povrchové napětí a tak abychom ji mohli použít k výše uvedeným činnostem,
musíme toto napětí snížit (ohřátím, přidáním látek, snižujících povrchové napětí –
mýdla, saponátů apod.).
d) Využití v zemědělství: aby bylo možno správně aplikovat herbicidy a insekticidy, je
třeba upravit vhodně povrchové napětí postřiků (aby buď ulpěly, nebo neulpěly na
daném druhu rostliny – kulturní či plevelné)
70
e) Využití v průmyslu: technologický postup, zvaný flotace spočívá v oddělování
hlušiny od těžené látky (železa, zlata apod.). Kapalina s vhodně upraveným
povrchovým napětím (voda + saponát) způsobí, že hlušina bude smáčena a klesne ke
dnu a nemáčená látka, na níž se vytvoří vzduchové bublinky vyplave na hladinu.
Fyzikální podstata broušení je založena na skutečnosti, že vhodná kapalina sníží
povrchové napětí broušených či obráběných látek. Chceme-li například vrtat otvor ve
skle, lze to provést s úspěchem pod vodou (sklo se však musí pečlivě odmastit).
f) Přírodní jevy: existence povrchového napětí vysvětluje takové jevy, jako je pohyb
drobného hmyzu po vodní hladině, „plavání“ drobných předmětů (žiletka, jehla,
hliníková mince) na hladině vody (Obr.9.6.), jaká síla způsobí změnu tvaru špičky
štetce po namočení, apod.(Obr.9.7.). Rovněž objasní důvod, proč voda nepronikne
peřím vodních ptáků a ti mohou snadno plavat po vodní hladině (Obr. 9.8). a naopak
důvod, proč se tito ptáci utopí, když je zasáhne ropná skvrna na hladině. I tvar kapek
rosy na listech a květech rostlin souvisí s povrchovým napětím vody (Obr.9.9.).
Velkou většinu meteorologických jevů lze také objasnit povrchovým napětím vody
(elektrický náboj v bouřkových mracích, tvar vodních kapek, vznik krup, apod.).
Obr.9.6. Drobné kovové předměty Obr.9.7. Síla povrchového napětí
„plavou“ na povrchu kapaliny stáhne po namočení štetec
díky povrchovému napětí. do špičky.
Obr.9.8. Kapičky vody na ptačím peří. Obr.9.9. Kapičky vody na nesmáčivém
povrchu okvětních lístků růže.
71
9.3. Měření povrchového napětí.
Povrchové napětí lze měřit buď metodami přímými, nebo nepřímými:
a) Přímá metoda, vycházející z definice: tato metoda vychází ze vztahu (9.1) a Obr.9.10.
. Do měřené kapaliny ponoříme tělísko definovaného tvaru o známé délce a měříme
sílu, potřebnou k vytažení tělíska z kapaliny.
Obr.9.10. Princip přímé metody měření povrchového napětí.
Obr.9.11. Metoda ze vzestupu v kapiláře. Obr.9.12. Kapková metoda.
72
b) Metoda, využívající vzestupu v kapiláře: z Obr.9.11. plyne, že síla povrchového
napětí je v rovnováze s tíhou sloupce kapaliny. Toho lze využít k měření povrchového
napětí kapalin (je třeba změřit hustotu kapaliny a poloměr kapiláry).
c) Metoda kapková: necháme-li odkapávat kapalinu z tenké trubičky (Obr.9.12.),
můžeme tvrdit, že kapička odkápne tehdy, když je síla tíhová rovna síle povrchového
napětí, působící na obvodu kapiláry. Skutečnost je však taková, že kapička neodpadne
celá a část jí zůstane na konci kapiláry. Proto tuto metodu užíváme jako metodu
relativní, tj. srovnáváme tíhu určitého počtu kapek neznámé kapaliny se stejným
počtem kapiček kapaliny se známým povrchovým napětím (a předpokládáme, že
zbytek kapaliny, který neukápl, je stejný pro obě kapaliny).
9.4. Tekuté krystaly.
Na přelomu 19. a 20. století zjistil Rakouský biolog Reinitzer při zahřívání různých
pevných látek až nad bod tání, že vzniklá kapalina je zprvu neprůhledná (opalizuje) a teprve
při dalším zahřívání se od jisté teploty změní na průhlednou kapalinu. Stručně řečeno, některé
látky mají dva body tání. Se svým pozorováním se svěřil svému příteli fyzikovi Lehmannovi,
který se tomuto problému intenzivně věnoval a nazval tyto látky „mezofáze“ (později
parakrystaly, kapalné krystaly, tekuté krystaly) . Zjistil, že tyto krystaly lze získat
rozpouštěním v rozpouštědle (lyotropní tekuté krystaly), nebo roztavením (termotropní tekuté
krystaly).
Příklad tekutých krystalů:
P – azoxyanisol
Oblast výskytu fáze tekutých krystalů: < 357 K – 423 K >.
Ethylester p – anisalaminoskořicové kyseliny
Oblast výskytu fáze tekutých krystalů: < 356 K – 412 K >.