Пена

ГИБЕЛЬ ПЕНЫ

Непрочен, как пена; развеялось, как пена; радужна, как пена,-много подобных выражений мы повседневно упо­требляем в разговоре, чтобы подчеркнуть недолговеч­ность какого-то мероприятия, желания или гипотезы^

Да, мыльный пузырек или пена по своей природе не^ стабильны и склонны к самопроизвольному разрушению] Эта нестабильность объясняется избытком поверхност! ной энергии, пропорциональной поверхности раздела газ-жидкость. Минимальное значение свободной энер гии, соответствующее моменту равновесия, достигаете при полном разделении пены на две фазы: жидкосг и газ,-т. е. при разрушении пены. Таким образом, nj зырькн пены и пленки пены лопаются потому, что пло щадь (и, следовательно, поверхностная энергия) получев ной капли (или капель) меньше площади первоначально) системы. Например, у пузырька, имеющего радиус 1 л и толщину стенок Ю-3 см, площадь поверхности равн приблизительно 25 см2, и если он вызовет образована только одной капли, то поверхность ее будет окол< 0,1 см2. Разность энергий так велика, что, когда плени лопается, образовавшаяся капелька жидкости летит ос скоростью 1000 см/с.

Мы уже говорили, что пена разрушается в результате истечения жидкости из пенных пленок, диффузии газа из одних пузырьков в другие и разрыва отдельных пленок внутри пены. Структура пены предопределяет, какой щ этих процессов будет наиболее разрушительным. Так в пенах с толстыми стенками происходит интенсивное ис-! течение жидкости из пленок, а в пенах высокой кратности (тонкостенных), а также в пенах, образованных вязкими жидкостями, разрушение вызывается в первую очередь] диффузией газа.

Истечение жидкости и утончение пленок начинается]

Уже в процессе ценообразования. Этот процесс вызывает­ся действием сил гравитации и капиллярных сил всасыва­ния. Жидкость истекает из пены по так называемым ка­Налам Плато (названы по имени известного бельгийского ученого J. Plateau, много занимавшегося исследованием устойчивости дисперсных систем). Эти каналы возникают В месте стыка пленок, принадлежащих трем соприкасаю­щимся в плоскости пузырькам. В одной точке сходятся четыре канала Плато, образуя одинаковые углы в 109°28'. Эти каналы пронизывают всю структуру пены, представляя собой взаимосвязанную систему. На рисунке

А, В и С-это соприкасающиеся пузырьки, а 2 и 3-Раз­деляющие их пленки жидкости. Система будет равновес­ной лишь при условии, что все три угла в одной плоско­сти равны 120°. Деформированные пузырьки воздуха в пене имеют форму пятиугольного додекаэдра - трехраз - мерной фигуры, образованной двенадцатью равностороні ними пятиугольниками; внутренние углы в такой фигур^ равны 120°, поэтому такая конструкция имеет повышена ную жесткость.

Процесс истечения жидкости из пены под действием гравитационных сил называют дренированием. Если cocyj наполнить пеной и оставить на некоторое время, то па степенно на дне собирается слой жидкости, который бу дет расти до тех пор, пока в пленках пены не останется совсем мало жидкости (или пока пленки не лопнут)

Истечение жидкости из пены может происходить и вследствие капиллярного всасывания (всасывание чере; границы Плато). Стенка между соприкасающимися пузырьками одинакового размера в пене плоская, этх своего рода плоский капилляр, поэтому жидкость, запол няющая стенку, находится под таким же давлением, к а! и газ в этих двух пузырьках. Однако поверхность раздел! жидкость-воздух близ места соединения трех пузырьком (граница Плато) вогнута по отношению к воздушной фаЧ зе. Следовательно, жидкость на границе Плато находится] под отрицательным капиллярным давлением и перепад давления гонит жидкость из плоской стенки между] пузырьками к границе Плато. Этот перепад давления обычно значительно больше перепада давления воздуха] в двух смежных пузырьках.

При истечении жидкости под действием капиллярньп сил поверхностные слои пленок либо растягиваются, ли бо сжимаются. При растягивании пленки упаковка моле кул ПАВ становится менее плотной и на некоторые участках пленки поверхностное натяжение увеличивается! В результате появляются ослабленные участки, которые мі иовенно восстанавливают свою толщину и прочность пол действием эффекта Марангони. (Об этом эффекте мы уже рассказывали, анализируя кинетический фактор устойчивости пены.) Оба эти процесса-утончение пленок на отдельных участках пузырька и восстановление тол­щины пленки (хотя и не до первоначальной)-протекают одновременно, обеспечивая устойчивость пленок вплоть до достижения ими критической толщины (минимальная юлщина пленки, ікогда она еще сохраняет устойчивость при отсутствии в'нешних воздействий). Пленки, достиг­шие критической толщины, становятся хрупкими и могут разрываться при слабом механическом воздействии (ви­брация, воздушные потоки и т. д.).

Процесс истечения жидкости из пены очень сложен и не может быть описан простым математическим урав­нением; используют комплекс уравнений, составленных при анализе тех или иных физических моделей, которые применяют для отісания разрушения пены при истечении жидкости.

Интенсивное разрушение пены происходит и при диф­фузии газа из одних пузырьков в другие. Диффузионный перенос газов-это самопроизвольное перемещение моле­кул газа вследствие различного давления газа в пузырь­ках. В пене пузырьки имеют разные размеры.

В пузырьках малого диаметра давление газа (воздуха) больше, чем в крупных. Связано это с тем, что давление газа в пузырьке зависит от кривизны его стенок. Удоб­ства ради будем рассматривать систему, состоящую только из двух пузырьков. На нашем рисунке изобра­жены два пузырька, находящиеся в механическом равно­весии. Разность давлений между ними компенсируется кривизной стенок пузырьков. Перегородка между этими двумя пузырьками должна быть выпуклой по отношению к меньшему, так как давление в нем больше, чем в круп­ном пузырьке. Механическое равновесие было бы ста­бильным, если бы перегородка была совершенно непро-

Ницаемой для газа в пузырьках. Но это условие недостижимо, газ диффундирует через стенку из области высокого давления в область низкого давления, т. е. из пузырьков малых размеров в более крупные пузыри. В результате малые пузырьки уменьшаются и в конце концов исчезают, а большие растут, что, естественно, снижает их устойчивость в пене.

Чем больше различие в размерах пузырьков пены, тем сильнее прояляется диффузия, тем ниже стабиль­ность пенной структуры.

Относительно скорости диффузии газа через стенку можно сказать, что эта величина связана с разностью да­влений внутри пузырьков; она зависит также от присут­ствия в пене добавок (загустителей, электролитов) и даже от структуры молекул ПАВ - пенообразователей, так как именно они создают с двух сторон пузырька диффу­зионный барьер. В соответствии с законом растворимо­сти газов (закон Генри) концентрация газа в пленке у по­верхности малого пузырька выше, чем у большого. Под действием разности концентраций газ диффундирует че - реї ііленки. Количество газа, перемещающегося через пленку, прямо пропорционально коэффициенту диффузии газа и обратно пропорционально толщине пленки. Ско­рость переноса газа в целом определяется самой медлен­ной из этих стадий. Поверхностно-активные вещества тормозят процессы растворения и выделения газов, на­иболее медленной стадией будет диффузия, так что коли­чество переносимого газа почти не зависит от толщины пленки.

Если диффузионный перенос газа оказывает суще­ственное влияние лишь на «старение» очень устойчивой пены, то разрыв пленок и объединение пузырьков (Коа- Іесценция) одинаково важны для любой пены. Коалесцен- ция пузырьков происходит в результате утончения пле­нок до определенной «критической» толщины и после­дующего местного (локального) прорыва пленки.

Разрыв пленки, по Б. В. Дерягину, включает три ста­ции: постепенное утончение всей пленки; скачкообразное появление отдельных участков меньшей толщины, чем толщина всей пленки; образование на этих участках от­верстий, расширяющихся с большой скоростью.

При постепенном утончении пленок в результате исте­чения из них жидкости получаются тонкостенные пены, обладающие определенной устойчивостью (это связано с взаимным уравновешиванием сил всасывания в каналы Плато, сил притяжения и электростатических сил оттал­кивания в двойном электрическом слое истонченной пленки). При нарушении этого равновесия в пленке воз­никают очень тонкие участки с пониженной прочностью и пленка разрушается. При разрыве пленки в ее цент­ральной части вначале появляется небольшое отверстие. Вдоль его контура пленка закругляется, и образуется во­дяной валик. Лапласова сила, в соответствии с законом, носящим его имя (Пьер Симон Лаплас-знаменитый французский астроном, математик и физик; жил во вто­рой половине XVIII-первой четверти XIX века), заста-

Предполагаемая схема гибели пузырька.

Вляет водный раствор пленки двигаться по радиусу от центра отверстия. При движении валика его масса возра­стает и в конечном счете все тело пленки пузыря свернет­ся в одну каплю. Подсчитано, что воздушный пузырь ра­диусом 1 см с толщиной пленки Ю-3 см разрушится и превратится в каплю с момента нарушения его целост­ности всего за 5-Ю-3 с, т. е. со скоростью, близкой к ско­рости взрыва. При этом вместо одной крупной капли (как это следует из представлений Лапласа) образуется множество капель-осколков. Акустическая и гидродина­мическая волны, капли-осколки и другие явления, возни­кающие при разрушении единичного пузырька, нару­шают устойчивость находящихся рядом пузырьков и способствуют их быстрому разрушению.

Немного математики. Время вытекания жидкости из пленки в пене можно рассчитать. Это позволит прогнози­ровать стойкость пены. При расчетах принимают опреде­ленные допущения: стенку пузырька пены рассматривают как капилляр с постоянным соотношением длины и сече­ния, а давление столба жидкости считают постоянным. Тогда для пен с малой кратностью и вязкостью время

Піні екания т может быть определено из уравнения

- 2У

Т ~ »»(2 - /сИ)

, до Г объем жидкости, а п и к-Постоянные, имеющие простой физический смысл и легко рассчитываемые тео - ре 1 ически.

Уравнение оказалось справедливым для пен, полу­Чаемых в различных условиях (встряхивание раствора, продувание воздуха через пористый фильтр, интенсивное перемешивание и т. д.), а также для пен, содержащих стабилизаторы.

Рассчитать время вытекания жидкости из пленки мож­но достаточно точно, а вот прогнозировать стойкость Пены на основе этих расчетов удается только приблизи­тельно. Дело в том, что образование отдельных черных Пятен по мере истечения жидкости из пленок еще не озна­Чает ее гибели. Некоторые черные пленки способны суще­ствовать несколько суток. Правда, это относится к пе­Нам, изготовленным из растворов пенообразователей с добавками электролитов и веществ-загустителей (агар - Аіар, карбоксиметилцеллюлоза). Тонкими исследования­Ми, проведенными в последние годы, установлено, что Добавки электролитов несколько меняют толщину пленки н ее термодинамические характеристики.

Говоря о гибели пены, необходимо пояснить, что утончение пленок возможно не только в результате выте­Кания жидкости, но и при ее испарении Большая пло­Щадь поверхности пены этому способствует, а замкну­Тость газовых пузырьков тормозит этот процесс. И все-таки испарение идет, пена высыхает и разрушается.

И еще одно отступление в область житейских исто­Рий, связанных с пеной.

«Убегающее» молоко, «быстроногий» кофе и сладкий белок. Можно с полной уверенностью сказать, что каждо-

Подлинная картина «взрыва».

Му из нас не раз приходи­лось вздрагивать от внезап­ного возгласа: «Молоко убе-і жало!». Если быть точнь " то убежало не само молоко^ а пена. Содержащиеся в мс локе вещества, особени белки,-хорошие пенообразс ватели. Они-то и создаю; шапку над кипящим моле ком.

Бурное вскипание («> гание») молока, кофе, бут на и некоторых других при вычных для нас жидкое происходит одинаково, мере нагревания над ж* костью растет шапка пещ из мелких пузырьков. Он медленно увеличивается объеме, и в момент закї пания быстро поднимает вверх. Секунда промедле ния-и эта быстро надви гающаяся лавина перевал» через края кастрюли или кс феварки. После свершившей-! ся «трагедии» пена по­является снова, но уже не столь обильная и ^«ж иву чая» J Новые порции пузырьков быстро увеличиваются в объ-3 еме и лопаются. Объясняется! это тем, что первые порции! пены образуются за счет воз-j

л. растворенного в жидкостях, а после того, как шапка «убежит», пузырьки наполняются только водя­ными парами. Едва поднявшись над поверхностью жид - косіи, они быстро охлаждаются и разрушаются. Кстати, убегающая шапка пены уносит ароматические вещества, ПО п ому долго кипевшее молоко или кофе много теряют не только во вкусовых качествах, айв полезности. С первой порцией пены «убегают» многие ценные белки, соли и углеводы из молока, кофеин и тонкодисперсные Частицы из кофе. Со сбежавшей пеной теряются актив­ные пенообразователи и стабилизаторы, способность этих жидкостей образовывать пену угасает, а получаемая при повторном кипячении пена быстро разрушается.

Один из лучших пенообразователей среди белков - яичный, ему практически нет равных при изготовлении Тортов, кремов, пирожных, пастилы, муссов и других Вксных «пен». Следовательно, в положении «с пеной У pi л» может оказаться любой из нас не только в пере­Носном смысле этого слова (например, при бурной ди­Ска ссии «яростно доказывать с пеной у рта»), но и бук­вально-с куском красивого торта. Попутно заметим, что Бывают вспененные (пористые) сорта шоколада. Нако­Нец несколько раз в день мы измельчаем зубами доста - Ючио мягкую пену-хлеб.