Работа № 5 Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости
Цель работы:
освоить методы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, определить коэффициенты поверхностного натяжения растворов этилового спирта.
Приборы и принадлежности:
Растворы спирта различных концентраций, торсионные весы.
Введение
Коэффициент поверхностного натяжения жидкости – один из важнейших показателей молекулярного состояния жидкости.
Молекула, находящаяся внутри жидкости, взаимодействует с окружающими её молекулами. Так как взаимодействия симметричны, то равнодействующая сил равна нулю. Для молекулы, находящейся вблизи поверхности, симметрия нарушается и возникает сила, некомпенсированная действием других молекул и направленная внутрь жидкости. Поэтому для перемещения молекул из глубины жидкости в поверхностный слой необходимо совершить работу.
При отсутствии внешних сил молекулы жидкости стремятся занять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии, поэтому жидкость в свободном состоянии стремится иметь минимальную площадь поверхности и принимает форму шара. Поверхностный слой уплотняется, что похоже на упругую пленку, в которой действуют упругие силы (силы поверхностного натяжения), направленные по касательной к поверхности. Если условно выбрать на поверхности жидкости отрезок длинной l (рис.1), то силы поверхностного натяжения F можно изобразить стрелками, перпендикулярными отрезку.
l
Рис. 1
Коэффициент поверхностного натяжения равен
σ = F / l.
Следовательно, с одной стороны коэффициент поверхностного натяжения - это сила, действующая по касательной к поверхности, перпендикулярно единицы длины линии, лежащей в поверхностном слое.
Так как молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимся внутри жидкости, то для увеличения площади поверхности жидкости необходимо совершить работу против сил поверхностного натяжения. Тогда
σ = A/ S.
Т. е. с другой стороны коэффициент поверхностного натяжения – это потенциальная энергия единицы площади поверхностного слоя жидкости.
Поверхностное натяжение биологических жидкостей в некоторых случаях может служить диагностическим фактором. В диагностических целях определяют поверхностное натяжение спинномозговой жидкости, желчи, мочи. Коэффициент поверхностного натяжения мочи в норме составляет 70•10-3 Н/м, а при наличии в моче желчных пигментов значительно снижается. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. О содержании липазы судят по изменению поверхностного натяжения раствора трибутилена при добавлении в него крови.
Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости в клиниках применяются два метода: метод отрыва капель с помощью сталагмометра или капельницы и метод отрыва кольца или рамки с помощью торсионных весов.
Метод отрыва пластины (рамки).
При медленном подъеме пластинки (рамки) при хорошем смачивании жидкость увлекается за пластинкой (рамкой) вверх (рис. 3) и краевой угол ϕ уменьшается до нуля, при этом силы поверхностного натяжения F, действующие по периметру пластинки, становятся направленными вертикально вниз, а их результирующая принимает максимальное значение Fmax.
Рис.3.
При дальнейшем подъёме происходит отрыв пластинки (рамки) от жидкости. Для отрыва необходима приложить силу F, равную силе тяжести пластинки Р (рамки) и результирующей сил поверхностного натяжения Fmax:
F' = P + Fmax.
откуда
Fmax = F' – P
Так как коэффициент поверхностного натяжения
σ = Fmax / l , а l = 2(a+b),
то
σ = F' – P / 2(a+b)
(5)