Лабораторная работа №4

Определение поверхностного натяжения жидкости методом измерения максимального избыточного давления в пузырьках воздуха.

Цель: Изучение понятия поверхностных явлений, их проявлений в различных областях.

Задача: Определение коэффициента поверхностного натяжения

Принадлежности: аспиратор, манометр, сосуд в форме пробирки с боковым отростком и пробкой, трубка с оттянутым концом, два стакана, термометр, электроплитка, мешалка, штатив, исследуемая жидкость.

Краткая теория:

Поверхность и поверхностные явления

Поверхность – это граница раздела между двумя контактирующими средами. В каждой из сред вблизи от поверхности простирается слой, в котором элементный состав и химическое состояние, атомная и электронная структура, и следовательно весь комплекс свойств: механические, электрические, магнитные, химические и др. существенно отличаются от свойств в объеме. Толщина этого слоя в зависимости от характерной для данного физического явления длины может быть различной , так для 10^-10…10^-5м.

Поверхностный слой анизотропен. Плотность, вязкость, поляризуемость и т.п. его отличаются от объемных фаз. В поверхностных слоях наблюдаются специфические химические эффекты: смещение химического равновесия, изменение констант скоростей реакций и т.д., а у Sm и Cr даже меняется валентность.

Особыми свойствами обладают и родственные поверхностным слоям малые (хотя бы в толщину) объекты – тонкие пленки и нити, узкие щели и поры микроскопических размеров.

Явления, связанные с существованием межфазных границ и их особыми свойствами, называются поверхностными явлениями. Это адсорбция (преимущественная концентрация молекул газа или растворенного в жидкости вещества на поверхности жидкости или твердого тела), адгезия (взаимодействие между молекулами различных фаз, прилипание), поверхностный электрический потенциал, капиллярные явления и многое другое.

Любая поверхность обладает некоторой избыточной поверхностной энергией, так как образование новой поверхности требует разрыва или перестройки связей между атомами или молекулами в конденсированной среде. Работа образования единицы площади поверхности равна удельной поверхностной свободной энергии или иначе поверхностному натяжению.

Когда в однородной среде начинает выделяться новая фаза необходимость затраты энергии на образование межфазной поверхности приводит к явлениям перегрева или переохлаждения

Работа образования единицы поверхности σ путем разрезания описывается обобщенным уравнением Гиббса. Это уравнение устанавливает связь между важнейшими поверхностными явлениями – адсорбцией и поверхностной активностью.

(1)

где − удельная поверхностная энтропия; − тензор поверхностных натяжений; − тензор деформации; − химические потенциалы молекул разных компонентов; − их адсорбции, суммирование производится по всем компонентам, для которых возможно равновесие между объемной фазой и поверхностным слоем.

Таким образом, поверхностная энергия σ имеет три составляющие: энтропийную, деформационную и химико-адсорбционную. Для жидкостей поверхностная энергия σ сводится к энергии поверхностного натяжения γ, причем деформационная составляющая отсутствует.

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение γ − это механическая и термодинамическая характеристика межфазной поверхности, определяемая межмолекулярными взаимодействиями и структурой поверхностного слоя. Термодинамически γ определяется как работа обратимого образования новой поверхности путем растяжения старой.

П усть полоску поверхности жидкости шириной L растягивают силой F на дополнительную длину Δх. Работа ΔА, затраченная на создание дополнительной площади ΔS = LΔх, равна ΔА=F Δх.

Вводя в общем случае σ − удельную энергию единицы площади поверхности, имеем:

(2)

Для жидкости поверхностная энергия равна поверхностному натяжению, поэтому можно использовать коэффициент γ, называемый коэффициентом поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения γ, как видно из (2), имеет как энергетический, так и силовой смысл: он также может быть определен как сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины поверхности пленки жидкости.

Единицей измерения поверхностного натяжения будет [γ ] =1 Н/м для силового выражения или 1 Дж/м² для энергетического. Для большинства жидкостей при нормальных температурах значение γ лежит в пределах 0,01…0,1 Н/м.

Следствием адгезии жидкости к определенной поверхности является смачивание, проявляющееся в растекании жидкости по этой поверхности и формировании так называемого адгезионного контакта.

Смачивание

В зависимости от соотношения энергий адгезии и когезии (межмолекулярного взаимодействия внутри объема самого вещества), на поверхности раздела фаз действуют силы поверхностного натяжения. Поэтому капля жидкости, лежащей на твердой поверхности, получает определенную форму (рис.2)

У словие равновесия в точке О между силами поверхностного натяжения γ₁₂−на поверхности раздела «1 (твердое тело) −2 (жидкость)», γ₁₃−на «1−3 (воздух); γ₂₃− на поверхности раздела «2-3»:

cos θ = (γ₁₃ − γ₁₂)/ γ₂₃ (3)

здесь θ − краевой угол (угол смачивания). θ острый в случае смачивания и тупой при несмачивании.

При контакте жидкости с твердым телом поверхность жидкости искривляется и становится либо выпуклой либо вогнутой. Силы поверхностного натяжения дают равнодействующую, направленную всегда в сторону центра кривизны. Таким образом, внутри всякой искривленной поверхности создается добавочное, вызванное именно кривизной поверхности, давление.

Капиллярные явления

Следствием этого являются капиллярные явления. Если поместить узкую трубку (капилляр) одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок капилляра кривизна мениска − поверхности жидкости в капилляре становится значительной. В случае смачивания мениск вогнутый, при несмачивании − выпуклый. Над вогнутой поверхностью воды создается дефицит давления ΔР. Вследствие этого жидкость поднимается по капилляру на такую высоту h, чтобы вес столбика жидкости на уровнем воды в сосуде уравнял бы силу давления этого дефицита:

Vρg = πr²hρg = πr²ΔР =2 πrγ

где V – объем жидкости; ρ −плотность жидкостиg; r − радиус капилляра; πr² -- площадь сечения и 2πr − окружность сечения капилляра, h – высота столбика жидкости.

Имеем тогда высоту столбика воды в капилляре .

Вода может подниматься по узким капиллярам на значительную высоту (до 3 м), что имеет важное значение в природе. Ступенчатой капиллярной подачей растения обеспечивают живительной влагой листья на кроне на высоту десятки метров. В технике и быту капиллярные явления используются в фитилях, системах смазки, химическом производстве и т.д.

Как следует из уравнения (1) поверхностное натяжение в жидкостях помимо энтропийной составляющей имеет адгезионную. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) значительно снижают адгезию, тем самым и поверхностное натяжение (например мыло снижает γ с 0,075 до 0,045 Н/м). Сахар и соль, наоборот, увеличивают γ воды.

Поверхностные явления играют важную роль в процессах в живой и неживой природы, во всех областях человеческой жизнедеятельности.

В последние годы быстро развиваются нанотехнологии, в которых для получения новых материалов и конструкций реализуются специфические свойства поверхностных слоев.