2. Лабораторна робота«Дослідження коефіцієнта поверхневого натягу води та впливу на нього поверхнево-активних речовин»

Мета роботи:1) виміряти коефіцієнт поверхневого натягу води; 2) дослідити залежність коефіцієнта поверхневого натягу від концентрації поверхнево-активних речовин (ПАР).

Обладнання і матеріали:1) динамометр ДПН; 2) штатив; 3) дротяна петля; 4) пінцет; 5) чашка ємністю 100 см³; 6) піпетка; 7) розчин із поверхнево-активною речовиною (ПАР).

1. Опис експериментальної установки та методу дослідження

Сили, що діють між молекулами, є короткодіючими. Вони зменшуються практично до нуля на відстані, що не перевищує 10 діаметрів молекули d. Отже, на кожну молекулу діють усі інші молекули, які перебувають у межах сфери радіусом. Саме тому називають радіусом сфери молекулярної дії.

Розглянемо молекулу, що перебуває углибині рідини (рис. 3.2.1), тобто відстань від поверхні більша за радіус молекулярної дії . Навколо неї у сфері радіусом знаходяться інші молекули рідини. Завдяки сферичній симетрії розміщення молекул результуюча сила, що діє на молекулу в центрі такої сфери, дорівнює нулю.

Зовсім інша ситуація виникає, коли молекула перебуває на меншій за радіус дії молекулярних сил відстані від поверхні. Проведемо навколо неї сферу з радіусом (рис.3.2.1). Ця сфера перетинатиме поверхню рідини. Тому вона буде лише частково заповнена її молекулами. Саме тому результуюча сила, що діє на молекулу в центрі такої сфери, не дорівнюватиме нулю. Вона буде перпендикулярною до поверхні і спрямованою всередину рідини. Таким чином, молекули, що перебувають біля поверхні рідини на відстані, яка не перевищує радіус дії молекулярних сил , під дією молекулярних сил утягуються всередину рідини. Такі молекули здавлюють рідину з усіх боків, створюючи так званий внутрішній тиск. Як правило, внутрішній тиск у тисячі разів більший за зовнішній. Тому рідина практично не стискається.

Рисунок 3.2.1 – Молекула вглибині рідини (ліворуч) і в поверхневому шарі (праворуч),– радіус молекулярної дії

Через те, що молекули поверхневого шару втягуються вглиб рідини, поверхня прагне зменшитися подібно розтягнутій гумовій плівці. Розглянемо поверхню рідини, що обмежена замкненим контуром. Тенденція поверхні рідини до її зменшення приводить до того, що на контур діють сили, які перпендикулярні до нього і дотичні до поверхні рідини. Ці силиназивають силами поверхневого натягу. Експериментально було з’ясовано, що сила поверхневого натягупрямо пропорційна довжині контуру:

, (3.2.1)

де – коефіцієнт пропорційності, що отримав назвукоефіцієнта поверхневого натягу. Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від властивості рідини. Згідно з означеннямкоефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини контуру.

Розглянемо дослід зі збільшенням поверхні рідини. Для цього зануримо в рідину петлю, а потім її витягнемо, як це показано на рис. 3.2.2. Бачимо, що на петлю довжиноюlдіє сила поверхневого натягу(рис.3.2.2). Згідно з формулою (3.2.2) ця сила

.

Множник 2 пов’язаний з тим, що у плівки є дві поверхні. Тобто довжина контуру дорівнює .Вимірявши силу та довжину петлі l, можна знайти коефіцієнт поверхневого натягу:

. (3.2.2)

Цей експеримент можна використати для визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини.

Розглянемо процеси, що відбуваються у поверхневому шарі рідини, з енергетичної точки зору. При виході з глибини рідини на поверхню молекула виконує роботу проти молекулярних сил, що втягують її до середини рідини. Через це її потенціальна енергія в поверхневому шарі зростає. Отже, молекули, які розміщені біля поверхні рідини (у шарі з товщиною ), мають більшу енергію, ніж молекули, які знаходяться всередині рідини. Це означає, що для збільшення поверхні рідини на величинупотрібно витратити додаткову енергію.

Рисунок 3.2.2 – Схема досліду для вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу

Обчислимо цю енергію. При витягуванні петлі з рідини на відстань (рис.3.2.2) виконується робота, модуль якої дорівнює. При цьому створюється додаткова поверхня площею. Отже, одиниця поверхні має енергію

.

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює додатковій енергії одиниці поверхні рідини:

. (3.2.3)

Формули (3.2.1) та (3.2.3) використовують під час розв’язання багатьох наукових та практичних задач.

Після розчинення деяких речовин може виявитися, що сили зчеплення молекул розчиненої речовини з молекулами розчинника є слабшими за сили зчеплення між молекулами розчинника. У цьому разі молекули розчиненої речовини "виштовхуються" на поверхню розчинника (цей процес енергетично вигідний та відбувається завдяки хаотичному руху молекул). Таким чином, молекули розчиненої речовини концентруються в основному поблизу поверхні рідини. Такі речовини називають поверхнево-активними (ПАР). Додавання ПАР у рідину зменшує коефіцієнт поверхневого натягу . Поверхнево-активними речовинами відносно води є жирні кислоти, їх спирти, ефіри та ін. Зокрема, мило і мильні порошки є поверхнево-активними речовинами.

Молекула жирної кислоти – це довгий ланцюжок, на одному кінці якого знаходиться гідрофільна група , що сильно взаємодіє з молекулами води, а на іншому – гідрофобна ("жирна") група, що взаємодіє з водою слабо. Тому такі молекули розміщуються так, щоб їх гідрофільні кінці знаходились углибині води, а гідрофобні знаходилися на поверхні води ззовні. Зі збільшенням вмісту жирної кислоти у воді на поверхні води утворюється кілька мономолекулярних шарів ПАР. Завдяки відносно великій довжині молекул жирних кислот, їх взаємодії між собою в'язкість у поверхневому шарі зростає, міцність поверхневої плівки підвищується. Наприклад, в'язкість тонких плівок мильної води є значно більшою за в'язкість чистої води. Цим пояснюється стійкість мильних бульбашок, а також стійкість мильної піни.

ПАР широко застосовують у техніці й побуті. Зокрема, під час прання молекули ПАР завдяки гідрофільним групам притягуються до частинок бруду, а завдяки гідрофобним групам виносять їх на поверхню. Через утворення та стійкість піни розмір площі її поверхні виявляється набагато більшим за площу поверхні рідини, що сприяє пранню.

Схема експериментальної установкипоказана на рис.3.2.3. Сутність вимірювань полягає у визначенні сили поверхневого натягу за допомогою пружинного динамометра ДПН.

Рисунок 3.2.3 – Експериментальна установка для вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу: 1 – корпус динамометра; 2 – стакан динамометра; 3 – пружина вимірювальна; 4 – стрілка; 5 – шкала; 6 – петля; 7 – чашка з рідиною; 8 – підставка; 9 – гвинт