ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Визначення поверхневого натягу рідин

Мета роботи: визначення поверхневого натягу рідин.

Прилади і матеріали: торзійна вага, чашка Петрі, фільтрувальний папір, диоксан, ізобутанол.

Теоретичні положення.

Поверхневий натяг на межі двох конденсованих фаз зазвичай називається міжфазним натягом. Робота утворення нової поверхні витрачається на подолання сил міжмолекулярного зв’язку (когезії) при переході молекул речовини з об’єму тіла в поверхневий шар. Рівнодія міжмолекулярних сил у поверхневому шарі не дорівнює нулю (як в об’ємі тіла) і направлена в середину фази з більшою когезією. Таким чином поверхневий натяг – міра компенсованості міжмолекулярних сил в поверхневому (міжфазному) шарі або, що є те ж саме, надлишку вільної енергії в поверхневому шарі у порівнянні з вільною енергією в об’ємах фаз, що дотикаються. У відповідності з визначеннями поверхневий натяг виражають в Дж/м² або Н/м (ерг/см² або дін/см).

Завдяки поверхневому натягу рідина при відсутності зовнішніх силових впливів набуває форми кулі, що відповідає мінімальній величині поверхні і, відповідно, найменшому значенню вільної поверхневої енергії. Поверхневий натяг не залежить від величини і форми поверхні, якщо об’єми фаз достатньо великі у порівнянні з розмірами молекул при підвищенні температури, а також під впливом поверхнево-активних речовин він зменшується. Розплави металів мають найбільший поверхневий натяг серед рідин, наприклад у платини при 20⁰С він рівний 1820 дін/см, у ртуті при 20⁰С – 484 дін/см. Поверхневий натяг розплавлених солей значно менший – від декількох десятків до 200-300 дін/см, а поверхневий натяг води при 20⁰С – 72,8 дін/см, а більшості органічних розчинників – в межах 20-60 дін/см. найнижчий поверхневий натяг при кімнатній температурі – нижче 10 мають деякі фторовуглеводневі рідини.

На легкорухомих границях межах – газ (пар) або рідина – рідина поверхневий натяг можна безпосередньо виміряти багатьма методами. Так, достатньо поширеним методом визначення поверхневого натягу по масі краплі, яка відривається від вертикальної трубки (сталагмометра); по величині максимального тиску, необхідного для продавлювання в рідину бульбашки газу; по формі краплини (або бульбашки), що знаходиться на плоскій поверхні. Експериментальне визначення поверхневого натягу твердих тіл ускладнене через те, що їх молекули позбавлені можливості вільно переміщуватись. Винятком є пластична течія при температурах близьких до точок плавлення. Визначення поверхневого натягу методом відриву кільця зводиться до вимірювання сили F, необхідної для відриву кільця від поверхні рідини. Однією з основних умов визначення поверхневого натягу ( ) цим методом є повне змочування кільця досліджуваною рідиною. При відриванні кільця (рис. 1) разом з ним піднімається і стовпчик рідини, сила тяжіння якого рівна прикладеній силі. Відриву рідини перешкоджає сила поверхневого натягу.

Рис.1. Стовпчик рідини під час відриву кільця.

В момент рівноваги, коли зовнішнє зусилля досягає значень сил поверхневого натягу, стовпчик рідини руйнується і кільце відривається від поверхні рідини.

Сила F визначається поверхневим натягом розчину і розміром кільця:

F = 2  _p-г R + 2_p-г (R + 2r) = 4  _p-г R (1.1)

Де: - внутрішній радіус кільця;

- середній радіус кільця;

- радіус дроту з якого виготовлене кільце ( << ).

Відношення (1.1) вірне лише в тому випадку, якщо разом з кільцем підіймається стовпчик рідини у вигляді повного циліндра правильної форми. В реальних умовах поверхня стовпчика рідини має більш складну форму. Згідно дослідженням Гаркінса форма цієї поверхні залежить від відношення куба середнього радіуса кільця до об’єму рідини, що піднімається у момент відриву і відношення радіуса кільця до радіуса його перерізу . З врахуванням цього в рівняння (1.1) повинен бути введений поправочний коефіцієнт (1,123). Тоді :

F = 4  _p-г R f (1.2)

З останнього відношення видно, що поверхневий натяг рідини пропорційний силі F, яка прикладається в момент відриву кільця, тобто:

_p-г = F / 4  R f (1.3)

Силу F визначають за відомою формулою:

(1.4)

- маса рідини, при відриві кільця (кг), - прискорення вільного падіння (9,8 м/с²)