§ 251. Жидкостные пленки.

Все знают, как легко получить пену из мыльной воды или из яичного белка. Из чистой же воды пена получается очень неустойчивой.

Пена — это множество пузырьков воздуха, ограниченных тончайшей пленкой жидкости. Из жидкости, образующей пену, легко можно получить и отдельную пленку. Эти пленки очень интересны. Они могут быть чрезвычайно тонки: в наиболее тонких частях их толщина не превосходит стотысячной, доли миллиметра. Несмотря на свою тонкость, они иногда очень устойчивы. Мыльную пленку можно растягивать и деформировать. Сквозь мыльную пленку может протекать струя воды, не разрушая ее (рис. 408). Смоченный мыльной водой стальной шарик пролетает сквозь мыльную пленку, оставляя ее целой. В момент пролета шарик, очевидно, обволакивается пленкой с обеих сторон и затем отрывается, причем поврежденное место поверхности немедленно восстанавливается.

Рис. 408. Струя воды протекает сквозь мыльную пленку, не разрушая ее

Чем же объяснить устойчивость пленок? Прежде всего, заметим, что устойчивые пленки и пена не могут образовываться в химически чистых жидкостях. Непременным условием образования пены является прибавление к чистой жидкости (вода, спирт и т. п.) растворяющихся в ней веществ и притом таких, которые сильно понижают поверхностное натяжение. Как показывает опыт, молекулы такого растворенного вещества собираются в поверхностном слое жидкости (адсорбируются, § 258).

Какое это имеет значение для прочности пленки, например мыльной? Мыльная пленка представляет собой тройной слой (рис. 409). В двух наружных слоях мы имеем воду, насыщенную молекулами веществ, входящих в состав мыла, в среднем слое — почти чистую воду.

Рис. 409. Схематическое изображение строения мыльной пленки:  и  — поверхностные слои, богатые молекулами мыла;  — слой почти чистой воды

Теперь представим себе, что пленка по какой-нибудь причине в одном месте утончилась. Это поведет к тому, что здесь обнажится внутренний слой почти чистой воды. Поверхностное натяжение этого слоя, как мы видели, больше. Вследствие большого поверхностного натяжения утончившееся место пленки потянет в свою сторону жидкость из других, более толстых частей. Этим будет вновь достигнута одинаковая толщина пленки на всем протяжении, и опасность разрыва пленки исчезнет. Напротив, в чистых жидкостях малейшее изменение толщины в каком-либо месте или ничтожная неравномерность в силах, действующих на пленку, не может быть компенсирована изменением поверхностного натяжения и ведет к разрыву пленки.

Все-таки через некоторое время лопается и мыльная пленка. Причины этого разнообразны. Во-первых, пленка никогда не бывает вполне горизонтальной (хотя бы потому, что горизонтальная пленка всегда несколько изогнута своей тяжестью). Вследствие этого жидкость из верхней части пленки постепенно перетекает вниз. Во-вторых, пленка все время немного испаряется, а потому и утончается до такого состояния, при котором внутренний слой пленки, обусловливающий, как мы видели, ее устойчивость, истощается. В-третьих, на поверхности пленки могут происходить реакции окисления, ведущие к образованию новых веществ. Чтобы сохранить мыльную пленку дольше, ее помещают под колпак, задерживающий испарение жидкости, и прибавляют в мыльный раствор вещества, увеличивающие его вязкость (сахар, глицерин).

В природе и технике мы обычно встречаемся не с отдельными пленками, но с собранием пленок — с пеной. Часто можно видеть в ручьях, там, где небольшие струйки воды падают в спокойную воду, обильное образование пены. В этом случае способность воды пениться связана с наличием в воде особого органического вещества, выделяющегося из корней растений (сапонина). В строительной технике иногда используются материалы, имеющие ячеистую структуру, вроде пены (например, пенобетон). Такие материалы дешевы, легки, плохо проводят тепло и звуки и достаточно прочны. Для их изготовления добавляют в растворы, из которых образуются строительные материалы, вещества, способствующие пенообразованию. Важным примером использования пенообразующих веществ являются огнетушители, при действии которых пожар тушится устойчивой пеной, выбрасываемой из огнетушителя.

251.1. Во время мытья рук получите мыльную пленку между пальцами, как показано на рис. 410. Наблюдайте интенсивные движения жидкости, вызванные различием в поверхностном натяжении различных частей пленки. Пленка сперва бесцветная, затем окрашивается в цвета, о происхождении которых будет идти речь в разделе «Оптика» тома III. Через некоторое время пленка покрывается черными пятнами. Эти пятна быстро растут, покрывая собой значительную часть пленки. Было выяснено, что эти пятна — места, где пленка имеет толщину, соответствующую размерам двух молекул. Эти слои состоят из молекул мыла; третий, промежуточный слой исчез. Появление и рост черных пятен служат признаком того, что пленка скоро лопнет.

Рис. 410. К упражнению 251.1