Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини Завдання 1

Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини за допомогою торсійних терезів.

Мета й завдання роботи – ознайомитися з методом визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини за допомогою торсійних терезів; експериментально визначити силу поверхневого натягу дистильованої води та розчину гліцерину.

Основні теоретичні відомості

Поверхня рідини є межею поділу двох різних агрегатних станів речовини. Хімічний склад будь-якої речовини в різних агрегатних станах однаковий, але її фізичні властивості істотно різняться. Прикладом може бути вода – рідина, яка в газоподібному стані є водяною парою. Густина води при 293 К (кімнатній температурі) у 6∙10⁵ разів більша за густину її насиченої пари. Це означає, що сили міжмолекулярної взаємодії в об’ємі рідини набагато більші, ніж у насиченій водяній парі.

Молекула в об’ємі рідини зазнає сферично-симетричного впливу сусідніх молекул, зумовленого силами притягання (силами Ван-дер-Ваальса). Тому рівнодійна цих сил в радіусі дії сил Ван-дер-Ваальса (r 10^–10 м) для кожної молекули дорівнює нулю. Для молекули поверхневого шару рідини сферично-симетрична дія сусідніх молекул порушується, тому що молекули газу розташовані на значно більших відстанях від молекул рідини ніж 10^–10 м, і взаємодією молекул газу та молекул рідини можна знехтувати. Тому, на кожну молекулу поверхневого шару рідини буде діяти рівнодійна сила, напрямлена всередину рідини.

Цю результуючу силу, віднесену до одиниці площі поверхні рідини, називають внутрішнім, або молекулярним тиском. Наприклад, для води внутрішній тиск становить 1,11∙10⁹ Па, для спирту – 1,42∙10⁸ Па, що більше атмосферного тиску відповідно в 1,1∙10⁴ та 1,4∙10³ разів. Високий молекулярний тиск в рідині є причиною того, що рідина майже не стискується . Так для зменшення об‘єму води на 1% потрібний величезний тиск 2∙10⁷ Па.

З макроскопічного погляду, мірою нескомпенсованості міжмолекулярних сил у поверхневому шарі є величина, яка називається силою поверхневого натягу. Для кількісної характеристики поверхневого натягу введено коефіцієнт поверхневого натягу σ. Він розглядається як сила, що діє на одиницю довжини контура, що обмежує поверхню рідини. Ця сила спричинює скорочення поверхні рідини до мінімуму у даному об’ємі, тому рідина при відсутності зовнішних сил набуває форми кулі.

Для збільшення поверхні рідини треба прикласти силу та виконати роботу проти сил поверхневого натягу ΔΑ. При цьому певна частина молекул перейде із об‘єму рідини у поверхневий шар. Тому при збільшенні поверхні рідини збільшиться потенціальна енергія поверхневого шару або поверхнева енергія ΔΑ=ΔЕ (1)

Тоді коефіцієнт поверхневого натягу визначається як робота ізотермічного утворення одиниці площі поверхневого шару рідини.

Отже, існують два рівноцінні означення коефіцієнта поверхневого натягу σ:

1) через силу:

; , (2)

де F − сила поверхневого натягу рідини; L − довжина контура поверхні рідини;

2) враховуючи формулу (1), через енергію:

; , (3)

де Е − зміна поверхневої енергії; S − зміна площі поверхні рідини.

Із підвищенням температури коефіцієнт поверхневого натягу зменшується і при критичній температурі дорівнює нулю. Причиною цього є послаблення міжмолекулярних зв’язків за збільшення температури середовища. Величина поверхневого натягу залежить також від наявності домішок у речовині. Здебільшого домішки зменшують коефіцієнт поверхневого натягу. Це поверхнево-активні речовини: нафта, мило, ефіри та інші (речовини, що інтенсивно адсорбуються на поверхні поділу фаз). Водночас є домішки, які збільшують значення σ, наприклад сіль, цукор. Велике значення σ мають розплавлені метали, дуже мале – скраплені гази, а особливо рідкий гелій.

Коефіцієнт поверхневого натягу рідин можна визначити різними методами. Наприклад, за допомогою торсійних терезів, а також за масою краплі, що відривається від кінця вертикальної трубки, тощо.

Прилади та обладнання: торсійні терези, набір різних рідин (дистильована вода та розчин гліцерину), штангенциркуль.