Лабораторная работа № 1 Практическое определения поверхностного натяжения жидкости.

Цель работы: Измерить коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ , построить график зависимости σ от концентрации раствора.

Теоретическое обоснование

^{Поверхностный слой жидкости, граничащий с другой средой, отличается по свойствам от слоев находящихся в объеме. Вследствие неуравновешенности сил межмолекулярного притяжения в поверхностном слое всякой жидкости действуют силы, стремящиеся до минимума сократить ее поверхность – силы поверхностного притяжения.}

Рассмотрим две молекулы: одна из них находится внутри жидкости (молекула А), а другая в поверхностном слое (молекула В) – рисунок 1.

В

F А

Рисунок 1. Схема возникновения поверхностного натяжения

Молекула А, находящаяся внутри жидкости, равномерно окружена огромным количеством таких же молекул. Общая результирующая всех молекулярных воздействий на данную молекулу будет равна нулю. Молекула В, находясь в поверхностном слое, притягивается как к молекулам жидкости, так и к молекулам пара. Силы притяжения со стороны молекул жидкости больше, чем со стороны молекул пара. Общая равнодействующая сил притяжения F в этом случае направлена вниз и стремится как бы втянуть молекулу внутрь жидкости. Такому воздействию подвержены все молекулы поверхностного слоя, из-за чего появляется натяжение и поверхность жидкости стремится как можно сильнее сократиться (до минимума). Чтобы увеличить величину поверхности жидкости, необходимо затратить некоторую работу против сил поверхностного натяжения. Эта работа преобразуется в потенциальную энергию поверхностного слоя. Чем больше поверхность жидкости, тем больше ее поверхностная энергия.

Поверхностная энергия жидкости на границе с данной средой количественно характеризуется величиной удельной поверхностной энергии или коэффициентом поверхностного натяжения σ и выражается величиной работы в джоулях, которую необходимо затратить для образования 1м² новой поверхности или в единицах силы, действующей на единицу длины поверхности и стремящейся предельно ее сократить.

Единицы измерения: [σ] = 1Дж/м² = 1Н/м

Величина поверхностного натяжения зависит от температуры, от природы жидкости и от вида граничащей с ней среды. Поверхностное натяжение растворов зависит также от их концентрации.

Вещества, значительно снижающие поверхностное натяжение данной жидкости, называют поверхностно-активными. Добавка таких веществ к данной жидкости облегчает вспенивание, то есть образование большого количества новых поверхностных пленок жидкости, что объясняется снижением поверхностного натяжения этой жидкости. По отношению к воде такими веществами являются спирты, мыла, белки.

Вещества, повышающие поверхностное натяжение данной жидкости, называются поверхностно-неактивными. Для воды такими веществами являются минеральные кислоты, щелочи, некоторые соли.

Измерение поверхностного натяжения жидкостей производится различными методами. Самым простым, хотя и не самым точным является метод с использованием сталагмометра. Сталагмометр представляет собой пипетку с капилляром и отшлифованной площадкой на конце (рисунок 2).

А

В

Рисунок 2. Сталагмометр

Жидкость засасывается в сталагмометр и устанавливается на метке А, а затем каплями ее выпускают из сталагмометра до метки В. Одновременно ведут счет капель. Принцип метода заключается в определении массы капли в момент отрыва. Капля отрывается, когда масса ее на ничтожно малую величину превысит силу поверхностного натяжения. Будем считать, что в момент отрыва масса капли уравновешивается поверхностным натяжением. В этом случае задача сводится к определению массы одной капли.

Обозначим объем вытекающей жидкости от метки А до метки В как V, число капель в этом объеме n ж, плотность жидкости ρж, ускорение силы тяжести g, тогда массу одной капли можно вычислить по формуле

Vρжg

m = ————

nж

Поверхностное натяжение равно 2πrσж, где r – радиус капилляра, σж – коэффициент поверхностного натяжения.

В таком случае:

Vρжg

m = 2πrσж или ———— = 2πrσж

nж

Отсюда:

Vρжg

σж = ———— (1)

2πr nж

Чтобы исключить из расчетов трудно определяемые константы прибора, проводят аналогичный опыт с дистилированной водой. Учитывая найденное на опыте число капель воды nв, можно записать:

Vρвg

σв = ———— (2)

2πr nв

Разделим уравнение (1) на (2), получим:

nвρж

σж/ σв= ————

nжρв

или

nвρж

σж = σв ————

nжρв

^{Измерение поверхностного натяжения с помощью сталагмометра называют иначе методом счета капель.}