A felületi feszültség a folyadékok alapvető tulajdonsága, ami miatt a folyadékok a lehető legkisebb fajlagos felületű alakzatot (gömb) igyekeznek felvenni, ha külső erőtér nem hat rájuk. Oka a folyadék részecskéi (atomok, egyszerű és összetett ionok, molekulák vagy ezekből felépülő kisebb aggregátumok) között fellépő kohéziós erő. Ezért gömb alakú a kis méretű lebegő folyadékcsepp, vagy a szappanbuborék stb.

A felületi feszültség következménye, hogy bizonyos tárgyak és állatkák a vízben nem süllyednek el, a víz felületén maradnak, bár a sűrűségük nagyobb, mint a folyadéké.

A felületi feszültség magyarázata

A felületi feszültség léte a molekuláris erőkkel függ össze.

A folyadékok határfelületi rétegében lévő alkotórészek más energetikai állapotban vannak, mint a folyadék belsejében lévők. Ennek oka az, hogy a folyadék felületén a kémiai és fizikai tulajdonságokat meghatározó mikrorészecskék környezetében a folyadék belseje felé azonos felépítésű folyadékmolekulák, míg a másik oldalon egy másik közeg, - például levegő - más tulajdonságú molekulái vannak. Így az aszimmetrikus erőhatások miatt nagyobb energiájú állapotban vannak, mint a folyadék belsejében elhelyezkedő, egymáshoz képest energetikailag kiegyensúlyozott társaik.

Tiszta anyagok esetén a felületi réteg felett az anyag gőz állapotú részecskéi találhatók, amelyben a részecskék átlagos távolsága lényegesen nagyobb – a vonzóerők lényegesen kisebbek –, mint a folyadék belsejében. A szomszédos molekuláktól származó kohéziós erők a folyadék belsejében kompenzálják egymást, a felületen viszont ezeknek az eredője a folyadék belseje felé mutat, amint azt a mellékelt ábra szemlélteti. Ez azt jelenti, hogy a kohéziós erő a felületi molekulákat a folyadék belseje felé igyekszik elmozdítani.

A kohéziós erők a felületre ún. kohéziós nyomást fejtenek ki, amelyet közvetlenül megmérni nem lehet, de közelítő számítások alapján ez a nyomás például víz esetében az atmoszferikus nyomás több ezerszeresét is eléri. Ez megmagyarázza, hogy a folyadékok összenyomhatósága kicsi, hiszen külső hatás nélkül is összenyomott állapotban vannak.

Ennek az aszimmetrikus erőhatásnak a mértéke a felületi feszültség (jele γ, vagy σ), amely az anyagokra jellemző intenzív fizikai mennyiség. Még pontosabban nem csak az adott folyadékra, hanem a fent leírt aszimmetrikus erőhatásokból eredően a két érintkező réteg határfelületére jellemző mennyiség. Más a felületi feszültsége például a víznek levegővel érintkezve, illetve ha étergőz van a felszín felett. Mivel legtöbbször a levegő-folyadék érintkezése fordul elő, ezért a felületi feszültségre jellemző adatokat - ha más megjelölés nincs - a levegő-folyadék határfelületre szokták megadni.

Az elnevezése csak részben helytálló, ugyanis nem feszültség jellegű mennyiség, hanem mint a definíciós összefüggésből kitűnik: a felületben, annak egységnyi hosszúságú vonalában ható erővel (N/m), vagy egységnyi nagyságú felület létrehozásához szükséges munkával (J/m²), az ún. felületi munkával egyenlő.

A felületi munka

Ahhoz, hogy a folyadék belsejéből molekulákat juttassunk a felszínre, ezáltal a felszín dA-val növekedjék, a felszínt kifeszítő erők ellenében dw munkát kell végeznünk. (Emiatt nagyobb a felszínen lévő részecskék helyzeti energiája, mint a folyadék belsejében lévőké.)
A felület valamely ℓ hosszúságú vonala mentén, arra merőlegesen a szomszédos részecskék között F erő hat, amely ellenében ℓdx =dA új felület létrehozásához Fdx = dw munka befektetése szükséges:

${\displaystyle \gamma ={\frac {\mathrm {d} w}{\mathrm {d} A}}={\frac {F\mathrm {d} x}{l\mathrm {d} x}}\approx {\frac {w}{A}}={\frac {F}{l}}\ }$, mértékegységei: ${\displaystyle \ {\frac {\mathrm {J} }{\mathrm {m} ^{2}}}={\frac {\mathrm {N} }{\mathrm {m} }}\ .}$

Azt is mondhatjuk: a ${\displaystyle \gamma }$ felületi feszültség a (saját gőzével érintkező) folyadék egységnyi felületének energiatöbblete a folyadék belsejéhez képest.

Néhány anyag felületi feszültsége

Nedvesítés

A folyadék molekuláira a felületet körülvevő más anyag molekulái is vonzóerőt fejthetnek ki – ez a jelenség az adhézió –, az ebből származó erő az adhéziós erő. Ha ezeknek az erőknek a folyadék molekuláira kifejtett hatása elhanyagolható (pl. levegő, g) a kohéziós erőkhöz képest, akkor a felületen lévő folyadékrészecskék a kohéziós erők hatására a folyadék belseje felé igyekeznek elmozdulni, vagyis a felület valóban csökkenni igyekszik. Ha ezeknek az erőknek a folyadék (ℓ) molekuláira kifejtett hatása nem hanyagolható el – például egy szilárd (s) felületen helyezkedik el –, akkor a folyadék jobban, vagy kevésbé terül szét azon, nedvesíti, vagy kevésbé nedvesíti azt, attól függően, hogy a vonzó (vagy taszító) erők mekkorák.

A nedvesítés mértékét a nedvesítési peremszöggel (Θ) jellemezzük. Ha a peremszög kisebb mint 90°, akkor részleges nedvesítésről, ha nagyobb 90°-nál, akkor részleges nem nedvesítésről beszélünk.

A közös határon fellépő erőket a határfelületi feszültséggel jellemezzük (γ_sg, γ_ℓs, γ_ℓg). Értelmezése hasonló a felületi feszültségéhez, csak itt a kohéziós erőkön kívül az adhéziós erők is közreműködnek. A folyadék addig terül a felületen, amíg az erőegyensúly beáll. Az erőegyensúly feltétele (Young-egyenlet):

${\displaystyle \gamma _{\mathrm {sg} }-\gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {lg} }\cos {\mathit {\Theta }}=0\ .}$

A nedvesítés mértékét ezeknek a határfelületi feszültségeknek a módosításával lehet befolyásolni. A mosószerek a folyadék és a szilárd fázis közötti határfelületi feszültség megváltoztatásán keresztül fejtik ki a hatásukat. Más esetben a szilárd test felületkezelésével változtatható meg a nedvesítés mértéke.

Kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés

Úgyszintén a felületi feszültséggel függ össze az ún. kapilláris emelkedés és kapilláris süllyedés jelensége.

Kapillaritás hajszálcsövekben

A vékony csövekben (hajszálcsövekben, latin eredetű kifejezéssel kapillárisokban) a folyadékok nem követik a közlekedőedényekre vonatkozó törvényt: a nedvesítő folyadék szintje magasabb, a nem nedvesítő folyadéké pedig alacsonyabb, mint nagy felületű edényben. Az előbbi jelenséget kapilláris emelkedésnek, utóbbit kapilláris süllyedésnek, az egész jelenségkört pedig hajszálcsövességnek (kapillaritásnak) nevezzük. Üvegcsőben például a víz kapilláris emelkedését, illetve a higany kapilláris süllyedését lehet megfigyelni. Kapilláris emelkedés akkor következik be, ha a folyadék nedvesíti a kapilláris falát, vagyis a folyadék és a szilárd anyag részecskéi között nagyobb a vonzóerő, mint a folyadék molekulái között. A nedvesítési peremszög ilyenkor Θ < 90°. Ha a folyadék és a szilárd anyag részecskéi között kisebb a vonzóerő, mint a folyadék molekulái között, akkor kapilláris süllyedés lép fel. A nedvesítési peremszög ebben az esetben Θ > 90°.

A mellékelt ábra alapján kiszámíthatjuk az emelkedés, illetve a süllyedés nagyságát. Ha például a nedvesítő folyadék a csőben h magasságba emelkedik fel, akkor a folyadékoszlopra ható nehézségi erő (F_neh):

${\displaystyle F_{\mathrm {neh} }=r^{2}\pi \rho gh\ .}$

Az üveg részecskéi között működő adhéziós erő felfelé mutató komponense (F_γ):

${\displaystyle F_{\mathrm {\gamma } }=2r\pi \gamma \cos {\mathit {\Theta }}\ .}$

A folyadékoszlop egyensúlyban van, tehát a két erő egyenlő nagyságú (de ellentétes irányú):

${\displaystyle r^{2}\pi \rho gh\ =2r\pi \gamma \cos {\mathit {\Theta }}\ .}$

Ebből a folyadék emelkedésének vagy süllyedésének mértéke, a h kiszámítható:

${\displaystyle h={\frac {2\gamma \cos {\mathit {\Theta }}}{\rho gr}}\ .}$

Kapillaritás keskeny résekben

A hajszálcsövekhez hasonlóan a keskeny résekben is megfigyelhető a kapilláris emelkedés és a kapilláris süllyedés. A jelenség egyszerűen tanulmányozható például két olyan üveglap között, amelyek egy közös, függőleges helyzetű élben találkoznak és kis szöget zárnak be egymással. Ha a két lap alsó részét vízbe merítjük, akkor a két üveglap közti térrészben a víz annál magasabbra emelkedik, minél kisebb az üveglapok távolsága. Mérésekkel és elméleti úton is igazolható, hogy a lapok közti távolság (d) és az emelkedés magassága (h) fordítottan arányos egymással. A fordított arányosság miatt az üveglemezek közti térrészben a víz felszíne egy hiperbola mentén helyezkedik el.

• A víz kapilláris emelkedése üveglapok között
• 
• 
• 
• 
• 
• 

A felületi feszültség hőmérsékletfüggése

A tiszta folyadékok felületi feszültsége csökken a hőmérséklet növekedésével. A kritikus hőmérsékleten megszűnik a folyadék és annak gőze közötti különbség, a fázishatár is eltűnik, a felületi feszültség nullára csökken. A felületi feszültség hőmérséklettel való változásából következtetni lehet a folyadék állapotbeli molekulák állapotára. A T hőmérsékleten mért felületi feszültség, a folyadék moláris térfogata és a hőmérséklet között az alábbi összefüggés áll fenn:

${\displaystyle \gamma V_{\mathrm {m} }^{2/3}=k(T_{\mathrm {c} }-T)\ ,}$

ahol

V_m a folyadék moláris térfogata, m³/mol,

γ a folyadék felületi feszültsége, N/m

T a hőmérséklet, K

T_c az anyag kritikus hőmérséklete, K

k az Eötvös-féle állandó, J/(K mol^2/3)

Ez a kifejezés az Eötvös-szabály. Az ún. normális folyadékok esetén az Eötvös-féle állandó értéke 2,1 x 10 ^-7 J/(K mol^2/3).

A legtöbb folyadék esetében a felületi feszültség már 6 °C-kal a kritikus hőmérséklet alatt gyakorlatilag nulla, ezért az Eötvös-szabály alábbi alakja pontosabb eredményt ad:

${\displaystyle \gamma V_{\mathrm {m} }^{2/3}=k(T_{\mathrm {c} }-6-T)\ .}$

A V^2/3 mennyiség a folyadék 1 móljának a felületével arányos (mólfelület), ezért a γV^2/3 szorzatot mólfelületi energiának nevezzük. Ez arányos annak a munkának a nagyságával, amely ahhoz szükséges, hogy 1 mólnyi folyadéknak megfelelő felületet létrehozzunk, vagyis 1 mól folyadékot teljes mértékben szétterítsünk.

Néhány anyag Eötvös-féle állandója

Folyadékok szerkezete

Az adatokból az látható, hogy több, nagyon különböző kémiai tulajdonságú folyadék Eötvös-állandója jó közelítéssel valóban 2,1. Vannak azonban olyan folyadékok is, amelyek nem követik ezt a szabályt, hanem k értéke jóval kisebb 2,1-nél, és értéke változik a hőmérséklettel, ezért van k-ra egy intervallum megadva a táblázatban. Ilyen anyag a víz, amely nagyon sok szempontból kivétel, de az alkoholok és a savak is. Ezen anyagok molekulaszerkezetében van közös rész, nevezetesen az -OH csoport.^[2]

Az Eötvös-féle állandó kisebb értékét úgy értelmezik, hogy ezeknek az anyagoknak folyékony halmazállapotban más a moláris tömegük, mint gőz halmazállapotban, mégpedig folyékony halmazállapotban nagyobb, mint gőz állapotban. A víz, a savak és az alkoholok folyékony halmazállapotban összekapcsolódott részecskékből, rövid távon rendezett halmazokból – asszociált molekulákból – állnak. Ez a kapcsolat azonban nem annyira állandó, mint egy vegyület molekulája esetében, hanem változó nagyságú, rendezett körzetek kialakulásáról van szó, amelyek folyamatosan keletkeznek és felbomlanak.

Egyes folyadékok – amelyek részecskéi viszonylag hosszúak – Eötvös-féle állandója nagyobb, mint 2,1. Ezek a hosszú molekulák a felületen egymással párhuzamosan és hossztengelyeikkel a felületre merőlegesen helyezkednek el. Ebben az elrendezésben a részecskék kevesebb helyet foglalnak el, mintha rendezetlenül helyezkednének el, vagy pedig gömb alakúak volnának. Ezek a folyadékok tehát a felületi feszültség szempontjából úgy viselkednek, mintha a moláris térfogatuk kisebb lenne a moláris tömegüknek megfelelő értéknél.

A felületaktív anyagok. Miért mos a mosószer?

A felületaktív anyagok – tenzidek vagy detergensek – az oldószer, például a víz felületi feszültségét csökkentik azáltal, hogy molekuláik a folyadék felületén irányítottan helyezkednek el. Az ilyen tulajdonságú anyagok – ún. amfipatikus jellegű vegyületek – egy hosszabb szénláncú liofób (vízre vonatkoztatva hidrofób) csoportot és liofil (vízre vonatkoztatva hidrofil) atomot, vagy rövid atomcsoportot tartalmaznak. A hagyományos szappan is ilyen szerkezetű: hosszú szénláncú, természetes eredetű zsírsavak nátriumsói.

A mosószerek legfontosabb tulajdonsága a mosóhatásuk szempontjából, hogy csökkentik a felületi feszültséget. Ugyanis a víz a nagy felületi feszültsége miatt a textilszövet finom pórusaiba nem képes behatolni, ezért onnét például a zsíros szennyeződést sem tudná eltávolítani. Szappan – és más, ma használatos nagy hatású mosószerek – segítségével azonban képes erre. A detergens részecskék a zsír és a víz közötti közös határrétegbe úgy épülnek be, hogy a hidrofób részük benyúlik a zsírcsepp belsejébe, a hidrofil pedig a vízbe. Mozgatással a zsírcseppek elszakadnak a textil felületétől és emulziót képeznek.

Mérési módszerek

Folyadék halmazállapotú rendszerek felületi (határfelületi) feszültségének mérésére többféle módszer is kínálkozik,^[3] mint pl.

a kapilláris emelkedés módszere,

a buboréknyomásos módszer,

a sztalagmométeres módszer,

a kiszakításos módszer és

a nyugvó csepp módszer, főként nagyhőmérsékleten, például fémolvadék esetén.