Работа № 5 Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Цель работы:

освоить методы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, определить коэффициенты поверхностного натяжения растворов этилового спирта.

Приборы и принадлежности:

Растворы спирта различных концентраций, торсионные весы.

Введение

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости – один из важнейших показателей молекулярного состояния жидкости.

Молекула, находящаяся внутри жидкости, взаимодействует с окружающими её молекулами. Так как взаимодействия симметричны, то равнодействующая сил равна нулю. Для молекулы, находящейся вблизи поверхности, симметрия нарушается и возникает сила, некомпенсированная действием других молекул и направленная внутрь жидкости. Поэтому для перемещения молекул из глубины жидкости в поверхностный слой необходимо совершить работу.

При отсутствии внешних сил молекулы жидкости стремятся занять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии, поэтому жидкость в свободном состоянии стремится иметь минимальную площадь поверхности и принимает форму шара. Поверхностный слой уплотняется, что похоже на упругую пленку, в которой действуют упругие силы (силы поверхностного натяжения), направленные по касательной к поверхности. Если условно выбрать на поверхности жидкости отрезок длинной l (рис.1), то силы поверхностного натяжения F можно изобразить стрелками, перпендикулярными отрезку.

l

Рис. 1

Коэффициент поверхностного натяжения равен

σ = F / l.

Следовательно, с одной стороны коэффициент поверхностного натяжения - это сила, действующая по касательной к поверхности, перпендикулярно единицы длины линии, лежащей в поверхностном слое.

Так как молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимся внутри жидкости, то для увеличения площади поверхности жидкости необходимо совершить работу против сил поверхностного натяжения. Тогда

σ = A/ S.

Т. е. с другой стороны коэффициент поверхностного натяжения – это потенциальная энергия единицы площади поверхностного слоя жидкости.

Поверхностное натяжение биологических жидкостей в некоторых случаях может служить диагностическим фактором. В диагностических целях определяют поверхностное натяжение спинномозговой жидкости, желчи, мочи. Коэффициент поверхностного натяжения мочи в норме составляет 70•10^-3 Н/м, а при наличии в моче желчных пигментов значительно снижается. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. О содержании липазы судят по изменению поверхностного натяжения раствора трибутилена при добавлении в него крови.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости в клиниках применяются два метода: метод отрыва капель с помощью сталагмометра или капельницы и метод отрыва кольца или рамки с помощью торсионных весов.

Метод отрыва пластины (рамки).

При медленном подъеме пластинки (рамки) при хорошем смачивании жидкость увлекается за пластинкой (рамкой) вверх (рис. 3) и краевой угол ϕ уменьшается до нуля, при этом силы поверхностного натяжения F, действующие по периметру пластинки, становятся направленными вертикально вниз, а их результирующая принимает максимальное значение F_max.

Рис.3.

При дальнейшем подъёме происходит отрыв пластинки (рамки) от жидкости. Для отрыва необходима приложить силу F, равную силе тяжести пластинки Р (рамки) и результирующей сил поверхностного натяжения F_max:

F^' = P + F_max.

откуда

F_max = F^' – P

Так как коэффициент поверхностного натяжения

σ = F_max / l , а l = 2(a+b),

то

σ = F^' – P / 2(a+b)

(5)