73

Лабораторная работа № 1.8 определение коэффициента поверхностного натяжения по методу измерения максимального давления в пузырьке воздуха (метод ребиндера)

Мотивационная характеристика темы. Молекулярные явления в жидкости, обуславливающие динамику протекания большинства биохимических реакций на границе раздела сред, зависят от физико-химических процессов протекающих на поверхности. В большинстве биохимических реакций, протекающих в биологических системах, явления поверхностного натяжения, смачивания, адсорбции играют важную роль. Знание законов, которым подчиняются эти явления, является необходимым для понимания многих процессов в биологических системах.

Цель лабораторной работы:

Освоить один из методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости; определить поверхностное натяжение предлагаемых растворов; изучить зависимость поверхностного натяжения от концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ).

К работе необходимо:

Знать	Уметь
1.В чем заключаются особенности межмолекулярного взаимодействия в жидкости. 2.Чем определяется природа сил поверхностного натяжения. 3.От чего зависят смачивающие и несмачивающие свойства жидкости. 4.Как меняется давление жидкости под сферической поверхностью. 5.Как ведет себя жидкость в капиллярах.	1.Экспериментально определять коэффициент поверхностного натяжения жидкости. 2.Объяснять влияние внешних факторов на коэффициент поверхностного натяжения жидкости. 3.Объяснить физические основы наиболее распространенных методов определения поверхностного натяжения.

Литература:

1.А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М., 1999, Гл. 9.

1.А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М., 1987, Гл.9.

2.А.Н.Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики. М., 1982, Гл.14.

4.И.А.Эссаулова. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М., 1987, Лб.16.

Контрольные вопросы для определения исходного уровня знаний

1. В чем заключаются особенности молекулярного строения жидкости?

2. Что такое поверхностная энергия жидкости, от чего она зависит?

3. Что характеризует коэффициент поверхностного натяжения жидкости? Единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ ?.

4. В чем заключаются физические основы известных Вам методов измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости?

5. Причины возникновения капиллярных явлений, их значение в биологии, медицине?

6. Причины возникновения газовой эмболии.

Краткая теория

Характер теплового движения молекул в жидкостях. Характер движения молекул в жидкостях существенно отличается от движения молекул, как в газах, так и в твердых телах. В газах среднее расстояние между соседними молекулами гораздо больше их диаметра. Поэтому при тепловом движении молекулы движутся хаотически. В твердых кристаллических телах молекулы расположены в правильном периодическом порядке и составляют кристаллическую решетку. Этот порядок сохраняется на далекие расстояния (миллионы и миллиарды молекулярных расстояний). Такой порядок называется «дальним порядком». Поскольку плотность твердых тел значительно больше плотности газов, молекулы в кристаллах примыкают друг к другу. Тепловое движение молекул сводится к их колебаниям около положения равновесия. В жидкостях средние расстояния между соседними молекулами несколько больше, чем у кристаллов. Поэтому молекулы жидкости могут отходить от своих правильных положений, расстраивая идеальный порядок, свойственный кристаллам. Тепловое движение молекул в жидкостях сводится к следующему.

Рис.1

Молекулы большую часть времени колеблются около своих положений равновесия. Амплитуды колебаний различных молекул различны. Вследствие взаимодействия молекул при тепловом движении энергия некоторых из них может возрасти. Поскольку увеличение энергии соответствует увеличению амплитуды колебаний, то амплитуда колебаний этих молекул может возрасти настолько, что они при наличии свободного места перескакивают в другие положения равновесия и начинают колебаться около них. С увеличением температуры амплитуда колебаний и частота таких перескоков возрастают. Так как расстояния между соседними молекулами в жидкости все-таки малы, то в жидкости сохраняется так называемый «ближний порядок», т.е. порядок в расположении ближайших соседей какой-либо молекулы. Этот порядок размывается по мере удаления от данной молекулы.

Поверхностное натяжение. Молекулы, расположенные в поверхностном слое жидкости, находятся в иных условиях по сравнению с молекулами внутри жидкости. Каждая из внутренних молекул окружена со всех сторон другими молекулами и испытывает одинаковое притяжение во всех направлениях. Молекулы, расположенные вблизи поверхности, испытывают со стороны своих соседей притяжение, направленное внутрь и в стороны (рис.1), но не испытывают уравновешивающего притяжения со стороны прилегающих слоев газообразной фазы, содержащих в себе значительно меньшее число молекул. В результате на поверхностную молекулу действует сила, направленная внутрь жидкости, перпендикулярно ее поверхности (f_п).

Под действием этой силы молекулы погружаются в жидкость. Вследствие теплового движения небольшая часть молекул вновь выходит на поверхность. Втягивание молекул внутрь происходит с большей скоростью, чем движение молекул к поверхности. Число молекул в поверхностном слое будет непрерывно уменьшаться. Поверхность жидкости будет сокращаться до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, т. е. пока количество молекул, уходящих из поверхностного слоя и возвращающегося в него за одно и то же время, не будет одинаковым. Таким образом, при отсутствии внешних сил поверхность жидкости принимает наименьшее значение, возможное при данном объеме.

Рис.2

Если рассмотреть одну из молекул на поверхности (Рис.1), то на нее со стороны других молекул действуют силы. Каждую из этих сил можно разложить на две составляющие, направленные одна по касательной к поверхности жидкости (f_к), другая - ей перпендикулярно (f_п). Силы, направленные по касательной, вызывают стремление жидкости сократить свою поверхность, и называются силами поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения s, который численно равен силе поверхностного натяжения F , приходящейся на единицу длины контура l, ограничивающего поверхность жидкости, т.е.

s=F/l.

Эта сила направлена перпендикулярно к любому элементу длины, ограничивающему поверхность жидкости, и касательная к ее поверхности (Рис.2.).

Коэффициент поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в (Н/м).

Коэффициенту поверхностного натяжения можно дать и другое определение.

Коэффициент поверхностного натяжения равняется поверхностной энергии W , приходящейся на единицу площади S свободной поверхности жидкости:

s= W/S

В этом случае s измеряется в «СИ» в (Дж/м²).

Поверхностное натяжение растворов отличается от поверхностного натяжения чистых жидкостей. При растворении твердого или жидкого вещества в жидком растворителе силы притяжения между молекулами растворенного вещества и растворителя обычно не равны силам взаимного притяжения между молекулами чистого растворителя. Рассмотрим случай, когда силы притяжения между молекулами растворенного вещества и растворителя меньше сил притяжения между молекулами растворителя. Такие растворенные вещества называются поверхностно-активными (ПАВ). Так как молекулы растворенного вещества притягиваются молекулами растворителя слабее, чем молекулы самого растворителя, то из поверхностного слоя внутрь жидкости преимущественно втягиваются молекулы растворителя и в поверхностном слое увеличивается концентрация молекул растворенного вещества, следовательно уменьшается таким образом поверхностное натяжение раствора.

Существует несколько способов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости: капиллярный (по высоте поднятия жидкости в капиллярной трубке), метод отрыва капель, а также методы, основанные на измерении максимального давления в газовых (воздушных) пузырьках, которые выдавливаются из кончика капилляра в жидкость.

В данной работе коэффициент поверхностного натяжения определяется методом определения максимального давления в пузырьке воздуха, выдуваемого из капилляра. Этот метод определения коэффициента поверхностного натяжения и прибор для его измерения разработаны П.А.Ребиндером.