Praktikum_po_fizike / №09определение поверхностного натяж

68

Лабораторная работа № 9

Определение поверхностного натяжения жидкостей

Цель работы: освоить определение поверхностного натяжения жидкости одним из методов, определить коэффициенты поверхностного натяжения водных растворов спирта, исследовать зависимость коэффициента поверхностного натяжения от концентрации раствора.

Приборы и принадлежности: сосуд Ребиндера, пробирка, пробка с отверстием, капилляр, жидкостный манометр, растворы спирта различных концентраций, эталонная жидкость с известным значением коэффициента поверхностного натяжения, соединительные трубки, стеклянный стакан, лабораторные штативы с крепежными приспособлениями.

Теория работы

Поверхностное натяжение жидкостей обусловлено действием молекулярных сил. Если молекула расположена внутри жидкости, то равнодействующая сил взаимодействия с окружающими ее молекулами будет равна нулю, и она будет находиться в равновесном состоянии.

Это равновесие нарушается, когда молекула находится на поверхности жидкости. Такая молекула испытывает со стороны соседних молекул жидкости притяжение, направленное внутрь и в стороны, и совсем незначительное притяжение со стороны газообразной фазы.

В этом случае на поверхностную молекулу действует результирующая сила, направленная внутрь жидкости, перпендикулярно к ее поверхности. Под действием этой силы поверхностные молекулы погружаются в жидкость. Вследствие теплового движения небольшая часть их вновь оказывается на поверхности. Втягивание молекул внутрь жидкости происходит с большей скоростью, чем движение молекул к поверхности. Число молекул в поверхностном слое будет непрерывно уменьшаться. Поверхность жидкости начнет сокращаться. Сокращение будет до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие между количеством молекул, уходящих из поверхностного слоя, и возвращающихся в него за одно и то же время. Таким образом, при отсутствии внешних сил поверхность жидкости старается занять наименьшую площадь.

Так как из всех тел заданного объема наименьшей поверхностью обладает шар, то жидкость под действием только внутренних сил принимает форму шара. Наличие внешних сил приводит к изменению формы жидкости. Для увеличения поверхности на величину необходимо совершить работу, которая затрачивается на вывод молекул из жидкости на ее поверхность:

,

где а – работа, необходимая для выхода одной молекулы на поверхность; n – число молекул в 1 см² поверхностного слоя.

Величина a·n = α называется коэффициентом поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, которую нужно совершить для увеличения поверхности жидкости на единицу площади:

.

Коэффициент поверхностного натяжения измеряется в системе СИ в Дж/м² .

Коэффициент поверхностного натяжения можно также определить как величину, численно равную силе, которая действует на единицу длины произвольной линии (линии возможного разрыва), мысленно проведенной на поверхности жидкости:

.

В этом случае единицей его измерения в системе СИ будет н/м, в СГС дин/см.

Коэффициент поверхностного натяжения различен для равных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением ее). Растворенные в жидкости вещества способны как понижать, так несколько повышать поверхностное натяжение. Снижение поверхностного натяжения можно вызвать введением в жидкость некоторых веществ, которые называют поверхностно-активными.

Существует ряд методов определения коэффициента поверхностного натяжения. В работе использован метод, основанный на определении максимального давления в пузырьке воздуха при проталкивании его через поверхностный слой молекул жидкости.

Сосуд с исследуемой жидкостью закрывается пробкой с отверстием, в которое вставлена трубка. Капиллярный конец трубки, диаметром не менее 0,5 мм должен касаться поверхности жидкости в сосуде, а другой конец сообщается с атмосферным воздухом.

В пространстве над поверхностью жидкости в капилляре создается пониженное давление относительно атмосферного. При некотором давлении p над поверхностью исследуемой жидкости из конца капиллярной трубки под действием разности атмосферного давления p₀ и давления p выдавливается в жидкость пузырек воздуха. Разность давлений (p – p₀), определяемая с помощью жидкостного манометра, равна , где - плотность манометрической жидкости, - разность ее уровней.

Разность давлений уравновешивается давлением p₁, обусловленным поверхностным натяжением жидкости и гидростатическим давлением p₂. Так как глубина погружения капилляра в жидкость мала, то гидростатическим давлением можно пренебречь (p₂ = 0).

Тогда давление, возникающее под действием сил поверхностного натяжения, равно разности давлений, определяемой при помощи манометра:

. (1)

Найдем давление p₁. Рассечем произвольно пузырек воздуха радиуса R горизонтальной плоскостью на две части (рис.1). Границей раздела будет окружность радиусом r. В результате действия сил поверхностного натяжения верхняя часть пузырька притягивается нижней. При этом на каждый элемент длины пограничной линии разрыва действует элементарная сила поверхностного натяжения , направленная по касательной к поверхности пузырька. Найдем элементарную силу давления:

.

Интегрируя эту величину по всей длине пограничной линии, получим полную силу нормального давления:

.

Давление, обусловленное поверхностным натяжением, равно:

. (2)

Так как сечение выбрано произвольно, то расчет давления справедлив для любой точки пузырька. Из формул (1) и (2) следует, что:

. (3)

Если вместо исследуемой жидкости в сосуд налить эталонную жидкость, например, дистиллированную воду, коэффициент поверхностного натяжения которой известен, то для нее также выполняется условие (3):

. (4)

Разделив уравнение (3) на (4) и решив его относительно α, получим выражение для определения поверхностного натяжения исследуемой жидкости:

. (5)

О писание установки

В состав лабораторной установки входят: манометр с манометрической жидкостью 1, пробирка для исследуемых жидкостей 2 с зафиксированным в ее пробке капилляром 4, сосуд Ребиндера с жидкостью 3, краны 5, 6, стеклянный сосуд 7.

Порядок выполнения работы

1. Собрать установку по приведенной схеме.

2. В сосуд Ребиндера залить воду до уровня соединительного патрубка.

3. В пробирку залить эталонную жидкость до уровня, который обеспечит касание капилляра поверхности жидкости при закрытии пробирки пробкой с капилляром.

4. Плавным поворотам крана 5 в нижней части сосуда Ребиндера добиться, чтобы жидкость вытекала медленно, примерно по одной капле в секунду.

5. В момент проскакивания пузырьков зафиксировать положения уровней жидкости в обоих коленах манометра h₁ и h₂.

6. Заливая в пробирку поочередно исследуемые жидкости (растворы этилового спирта) выполнить для них действия пунктов 4 и 5.

7. Измерения для всех жидкостей произвести трижды, меняя частоту капель.

Исследуемая жидкость (растворы спирта)								Вода
									Δh0
с, %
Δh, мм
, н/м

8. Произвести расчет средних значений Δh₀, Δh и коэффициентов поверхностного натяжения жидкостей по формуле (5). Данные расчетов занести в таблицу.

9. Построить график зависимости коэффициента поверхностного натяжения раствора спирта от концентрации f(с).

10. Сформулировать вывод.

11. Рассчитать α для спирта неизвестной концентрации и по графику найти с_x.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается молекулярный механизм возникновение поверхностного натяжения?

2. Дать определение коэффициента поверхностного напряжения.

3. В каких единицах измеряется коэффициент поверхностного натяжения?

4. Вывести расчетную формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения.

5. Какие факторы оказывают влияние на величину поверхностного напряжения?

6. Какие вещества называются поверхностно-активными?