Лекция 12. Поверхностное натяжение жидкостей. Осмос

В этой лекции рассмотрим некоторые свойства жидкостей, связанные с поведением молекул в жидкой фазе. В отличие от практически свободных и быстрых молекул газа молекулы жидкости расположены вплотную друг к другу и перемещаются довольно медленно.

12.1. Поверхностное натяжение жидкостей

Упругими свойствами обладают не только твердые тела, но и поверхность жидкости. Каждый видел, как растягивается мыльная пленка при выдувании пузырей. Силы поверхностного натяжения, возникающие в мыльной пленке, удерживают воздух в пузыре, подобно тому, как растянувшаяся резиновая камера удерживает воздух в футбольном мяче.

Поверхностное натяжение возникает на границе раздела фаз, например, жидкой и газообразной или жидкой и твердой, и обусловлено тем, что молекулы поверхностного слоя жидкости испытывают разную силу притяжения снаружи и изнутри. Поверхностное на-

тяжение хорошо наблюдать на примере капли воды, где

жидкость ведет себя так, как будто она помещена в эла-

стичную оболочку. Здесь молекулы поверхностного слоя воды притягиваются к своим внутренним соседям (другим молекулам воды) сильнее, чем к внешним молекулам воздуха, рис. 12.1. Другой пример – пленка бензина на воде. Здесь молекулы бензина притягиваются друг к

другу слабее, чем к молекулам воды, в результате чего бензин растекается по воде очень тонкой пленкой.

Поверхностное натяжение можно определить как бесконечно малую (элементарную) работу δA, которую нужно совершить для увеличения площади поверхности жидкости на бесконечно малую величину dS при постоянной тем-

определяет упругие свойства поверхности жидкости. Чем больше поверхностное натяжение, тем труднее растягивается пленка жидкости.

Поверхностное натяжение зависит от температуры. Например, для воды с ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Сила поверхностного натяжения F пропорциональна длине контура l на поверхности, к которому приложена, и лежит в плоскости, касательной к по-

Жидкость может смачивать или не смачивать поверхность, на которую она налита. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к

74

молекулам поверхности, происходит смачивание (рис. 12.2, а), в противном случае – несмачивание (рис. 12.2, б).

Угол, образованный поверхностью, куда налита жидкость, и касательной к поверхности жидкости, называется краевым углом θ. Предельный случай, когда θ = 0, называется полным смачиванием, а когда θ = π, – полным несмачиванием.

Силы поверхностного натяжения искривляют поверхность жидкости и вызывают дополнительное давление, которое определяется формулой Лапласа

Искривленная поверхность жидкости называется мениском. Поверхностное натяжение проявляется и в случае поднятия жидкости в

капиллярных трубках (рис. 12.3, а). Например, в капиллярах стеблей травянистых растений за счет смачивания вода поднимается на несколько сантиметров. Высота поднятия жидкости с плотностью ρ в капиллярной трубке1 радиуса r

Если жидкость не смачивает капилляр, она не входит в него, – опускается относительно основного уровня на высоту h, тоже определяемую формулой (12.4). Этот случай изображен на рис. 12.3, б).

Капиллярные явления играют важную роль в природе и сельскохозяйственной практике. Как уже отмечалось, вода по капиллярам поднимается в стеб-

1 Мениск в капиллярах сферический и дополнительное давление определяется формулой (12.3)″. Дополнительное давление как бы затягивает жидкость наверх. Это давление уравновешивается гидростатическим давлением столбика жидкости высоты h: P = ρgh. Учитывая, что радиус кривизны поверхности R связан с радиусом капилляра r соотношением R = r/cosθ, получим формулу (12.4).

75

ли травянистых растений. По капиллярам почвы вода поднимается из глубинных в поверхностные слои. Уменьшая диаметр почвенных капилляров путем уплотнения почвы, можно усилить приток воды к поверхности, то есть к зоне испарения, и этим ускорить высушивание почвы. Наоборот, разрыхляя поверхность почвы и создавая тем самым прерывистость в системе почвенных капилляров, можно задержать приток воды к зоне испарения и замедлить высушивание почвы. На этом основаны агротехнические приемы регулирования водного режима почвы: прикатка и боронование.

Следует также отметить, что пчелы извлекают нектар из цветка посредством очень тонкой капиллярной трубки, находящейся внутри пчелиного хоботка.

Если пузырек воздуха попадет в кровеносный сосуд небольшого диаметра, то из-за сил поверхностного натяжения может наступить закупорка сосуда (пузырек как бы прилипает к стенкам сосуда и перекрывает его). Это явление называется газовой эмболией. Поэтому при инъекциях нельзя допускать попадания в иглу шприца пузырьков воздуха. Для этого перед инъекцией всегда сбрасывают немного жидкости из шприца.

Кроме того, листья и плоды многих растений не смачиваются водой (покрытывосковымналетом), что предохраняет их отзагниваниявдождливыепериоды.

Оперение водоплавающих птиц предохраняется от намокания следующим образом. Плотное переплетение перьевых и пуховых бородок образует упорядоченную структуру. Жирные выделения расположенной у основания хвоста копчиковой железы, наносимые клювом на перья, сохраняют эту структуру и создают водоотталкивающую (несмачивающуюся) поверхность. Водонепроницаемости также способствуют многочисленные пузырьки воздуха, заключенные в тончайших полостях слоев оперения.

В заключение отметим, что для уменьшения поверхностного натяжения воды используют различные поверхностно-активные вещества (ПАВ), например, мыло. Вода не смачивает (и не отмывает) жирную поверхность, а мыльный раствор – смачивает (и отмывает).

12.2. Осмос и осмотическое давление

Это явление похоже на диффузию, однако, одно существенное отличие заставляет рассматривать его отдельно. Для протекания этого явления необходима перегородка (оболочка), обладающая избирательной проницаемостью, то есть пропускающая одни молекулы и не пропускающая другие.

76

Явление перехода молекул чистого растворителя через полупроницаемую перегородку в область, занятую раствором, называется осмосом.

В результате этого возникает разность давлений между раствором и чистым растворителем. Когда она достигнет определенного значения, осмос прекращается. Разность давлений, при которой осмос прекращается, называется

осмотическим давлением.

Природа осмотического давления будет понятна, если растворенное вещество рассматривать как идеальный газ с молярной концентрацией nр (для слабых растворов).

где nр = ν/V – молярная концентрация раствора в моль/м3. Это уравнение полностью совпадает с уравнением Менделеева – Клапейрона для газов, только вместо молекул газа здесь молекулы или ионы растворенного вещества.

где ρр – плотность раствора (для слабых растворов примерно равна плотности чистого растворителя). Формула (12.6) – экспериментальная формула для определения осмотического давления.

Осмотический эффект играет исключительно важную роль в жизни бактерий, грибов, растений и животных, так как благодаря осмосу происходит водный обмен клетки с внеклеточной жидкостью. Оболочки живых клеток представляют собой полупроницаемые перегородки, – они проницаемы для молекул воды и непроницаемы для молекул сложных органических соединений, образующихся внутри клетки в процессе ее жизнедеятельности. Благодаря этому внутри клетки образуется раствор с концентрацией несколько превышающей концентрацию внеклеточного раствора, и возникает осмотическое давление, растягивающее клеточную мембрану и делающее клетку упругой, как надутый резиновый мяч. Это явление называется тургором клеток. Поэтому ткани растений и животных обладают хорошей упругостью и сохраняют свою форму. Падение осмотического давления в клетках, например, при обезвоживании организма, приводит к их коллапсу (схлопыванию). А обессоливание организма, наоборот, может привести к набуханию и разрыву клеток (осмотический шок).

Если слегка увядшие растения положить в ванну с холодной водой, то благодаря осмосу, они «оживут». Вода будет проходить через мембраны «подсохших» клеток и вернет им прежнюю форму. Осмотическое давление в расти-

77

тельных клетках, окруженных водой, может быть весьма значительным и достигать нескольких атмосфер. Именно благодаря осмосу вода из почвы попадает в клетки листьев очень высоких деревьев. Так, эвкалипты и секвойи достигают высоты 100-120 м. Концентрация клеточного раствора в листьях таких растений достаточно высокая, значит, и высокое осмотическое давление (12.5), следовательно, и большая высота подъема воды (12.6).

Если же, растение или животное находятся в растворе с концентрацией, превышающей клеточную концентрацию, то вода идет из клеток во внешний раствор. Например, когда мы делаем варенье и засыпаем фрукты сахаром, образуется сироп – раствор сахара в воде, вышедшей из клеток фруктов. Аналогичный процесс происходит и при засолке рыбы или овощей.

Благодаря осмосу речным рыбам не нужно пить, – вода поступает в ткани не только через желудок, но и через всю внешнюю поверхность рыбы. Так что пресноводным рыбам нужно постоянно выводить избыток воды. А у морских рыб, кроме акул и скатов, концентрация клеточного раствора меньше концентрации солей в морской воде, и они вынуждены пить воду, усваивая ее через желудок. Море в прямом смысле «высасывает» воду из тканей рыб. Кстати, именно осмотическим высасыванием воды из клеток обусловлено чувство жажды, возникающее после приема соленой пищи или питья морской воды.

Кроме того, с ростом концентрации раствора (а, значит, и осмотического давления) уменьшается температура его замерзания. По этой причине почки растений и ткани некоторых животных зимой полностью не промерзают (некоторые виды рыб выдерживают полное промерзание водоема, не зарываясь в ил). Морская вода не замерзает при температурах до –2 °С и ниже в зависимости от солености.

Напротив, температура кипения раствора с ростом концентрации (а, значит, и осмотического давления) увеличивается. Поэтому температура кипения соленой воды при атмосферном давлении выше 100 °С.

Причины изменения температуры плавления и кипения воды в зависимости от давления рассмотрены в предыдущей лекции.

Вопросы к лекции 12

1.Как возникает поверхностное натяжение жидкостей? Приведите примеры.

2.Как определяется коэффициент поверхностного натяжения жидкости, и от чего он зависит?

3.Поясните, в каком случае жидкость смачивает поверхность, с которой соприкасается, а в каком – нет.

4.При взятии крови для анализа используется тонкая капиллярная трубка. Почему кровь «сама» поднимается по капилляру? Почему такого эффекта практически не наблюдается, если трубка не достаточно тонкая?

5.Почему при инъекциях нельзя допускать попадания в иглу шприца пузырьков воздуха?

6.Приведите примеры капиллярных явлений в жизни растений и животных.

7.Что такое осмос? Как найти осмотическое давление?

8.Приведите примеры осмотического эффекта в живых организмах.

9.Объясните механизм подъема воды в листья высоких деревьев.

10.Почему мы хотим пить после приема соленой пищи? Почему от сладкой пищи чувство жажды гораздо меньше?

78