10

Лабораторная работа №11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА

ПРОВОЛОЧНОГО КОНТУРА

Цель работы:

1)определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости методом отрыва проволочного контура;

2) исследовать влияние на поверхностное натяжение жидкости температуры, поверхностно-активных веществ, концентрации растворов.

Приборы и принадлежности: динамометр ДПН, линейные проволочные контуры разных размеров, чаша для жидкости, термометр, электроплитка, исследуемые жидкости.

Теоретические сведения

Поверхность жидкости соприкасающейся с другой средой, например, с ее собственным паром, находится в особых условиях по сравнению с относительной жидкостью. Внутри одной жидкости молекулы окружены со всех сторон точно такими же молекулами. Силы взаимодействия между ними одинаковы и направлены в противоположенные стороны. При большом количестве взаимодействующих молекул силы дуг друга компенсируются, а равнодействующая всех сил, действующая на определенную молекулу равна нулю. При этом молекула находится в равновесии. Молекулы поверхностного слоя взаимодействуют не только с такими же молекулами, но и молекулами приграничной среды, которая может отличаться от жидкости и природой и плотностью частиц. В таком случае силы, действующие на каждую молекулу поверхностного слоя оказываются неуравновешенными, а результирующая сила направлена либо внутрь объема жидкости, либо в сторону граничащей с ней среды. В результате такого взаимодействия форма поверхности изменяется – она прогибается или выгибается. В случае, если жидкость граничит с любым газом малого давления то, т.к. плотность молекул в жидкости значительно больше, чем в насыщенном паре, результирующая сила, действующая на молекулы поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости и поверхность прогибается. При этом увеличивается площадь поверхности жидкости, увеличивается расстояние между молекулами, возникают “упругие” силы препятствующие увеличению поверхности жидкости и не дать им разойтись на расстояние больше расстояний характерных для жидкостей. В результате чего возникает напряженное состояние поверхностного слоя которое называется поверхностным натяжением. При перемещении молекулы из горизонтального положения внутрь жидкости или в сторону окружающей жидкость среды этой молекулой совершается работа А. Для этого, чтобы совершить работу, молекулы должны обладать некоторой энергией. По определению, энергия является величиной характеризующей способность тела совершать работу. Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эту энергию называют “свободной”. Измерение любой величины – это процесс сравнения этой величины, с некоторой величиной, принятой за единицу.

Поверхностное натяжение количественно можно характеризовать свободной энергией поверхностного слоя, или работой, которую совершают молекулы поверхности жидкости, при увеличении площади на величину ΔS или силой поверхностного натяжения.

Работа А, совершаемая молекулами при изменении площади поверхности на величину ΔS, при постоянной температуре пропорционально изменению площади:

(1)

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом поверхностного натяжения и характеризует работу, необходимую для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу:

(2)

В системе СИ к.п.н. измеряется в Дж/м². Поскольку изменение площади происходит неравномерно, то выражения (1) и (2) записывают в дифференциальном виде:

(1^/)

(2^/)

Т.к. некоторая поверхность жидкости площадью S обладает «свободной энергией», которая может быть затрачена на совершение работы молекулами при изменении площади поверхности. Эта «свободная» энергия пропорциональна площади поверхности

отсюда (3) т.е. коэффициент поверхностного натяжения можно определить также как свободная энергия единицы площади этой поверхности. Если поверхность ограничена периметром смачивания, то коэффициент поверхности натяжения можно рассматривать как силу, действующую на единицу длины периметра смачивания и направлению перпендикулярно этому периметру:

Данная формула справедлива только в том случае, если сила постоянная по величине и направлению по всей длине контура. В случае невыполнения этого условия силу дифференцируют по длине т.е. делят контур на столь малые участки , чтобы на нем можно было считать силу постоянной. Определенный таким образом коэффициентов поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в Н/м. Что не противоречит выше названной единице измеряется (2) и (3), т.к.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости; свойства среды, с которой жидкость граничит; добавлении от наличия добавок и примесей; концентрации растворов и количества примеси; от температуры.

При наличии в жидкости других веществ изменяется межмолекулярные силы вещества, уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения (мыло, жирные кислоты, спирты) называют поверхностноактивными. При увеличении температуры усиливается интенсивность хаотического движения молекул жидкости, что приводит к ослабления межмолекулярного взаимодействия и коэффициент поверхностного натяжения уменьшается.

Метод. Критическое состояние.

Описание установки

Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения метом отрыва проволочного контура состоит из динамометра ДПН, чаши для жидкости Ч , набора проволочных контуров.

Динамометр ДПН (Д) закреплен в штативе Ш. Проволочный контур П подвешивается на крючок динамометра. Чаша Ч закрепляется в держателе и заполняется исследуемой жидкостью.

Молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину, которая быстро убывает с расстоянием. Начиная с некоторого расстояния, силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Каждая молекула испытывает притяжение со стороны всех соседних с ней молекул, находящихся в пределах сферы действия. Равнодействующая всех этих сил для молекулы, находящейся внутри жидкости, в среднем равна нулю.

Молекулы пограничного слоя жидкости окружены молекулами жидкости не со всех сторон. Часть «соседей» поверхностных молекул – это частицы другой среды, с которой граничит жидкость. Эта среда может отличаться от жидкости и природой, и плотностью частиц. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, оказываются неуравновешенными. Равнодействующая силы направлена либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды. Вследствие этого перемещение молекулы из поверхностного слоя сопровождается совершением работы.

Перемещаясь из поверхностного слоя внутрь жидкости, молекула совершает положительную работу. Переход молекулы из объема жидкости к поверхности сопровождается отрицательной работой, т.е. требует затраты внешней работы.

Работа, которую необходимо затратить на увеличение поверхности, вычисляется по формуле:

(11.1)

где: А – работа (Дж);

ΔS – изменение площади поверхности (м²);

G – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициент поверхностного натяжения.

Из (11.1) ясно, что коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности на единицу при постоянной температуре

(11.2)

Т.о., молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной, по сравнению с молекулами, находящимися в объеме жидкости, потенциальной энергией, которая является свободной энергией.

Т.К. работа, требуемая для изменения площади поверхности равна изменению свободной энергии поверхности

то коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию единицы площади этой поверхности

(11.3)

Известно, что всякая система при равновесии находится в том состоянии, возможном для нее, при котором ее энергия имеет минимальное значение. В данном случае жидкость в равновесии должна иметь минимально возможную площадь поверхности. Это означает, в свою очередь, что существуют силы, препятствующие увеличению поверхности жидкости, т.е. стремящиеся сократить эту поверхность. Эти силы направлены по касательной к поверхности и называются силами поверхностного натяжения.

Рассмотрим проволочный контур (рисунок 11.1), одна из сторон которого АВ неподвижна.

Рисунок 11.1. Проволочный контур

Если поместить этот контур в мыльный раствор, то на нем образуется мыльная пленка, представляющая собой слой жидкости с двумя поверхностями. Силы поверхностного натяжения принуждают пленку сокращаться и перемещают перемычку АВ. Чтобы ее удержать в равновесии, необходимо приложить внешнюю силу F. Т.к. пленка имеет две поверхности, вдоль каждой из которых действует сила поверхностного натяжения F_н, то

(11.4)

Предположим, что при постоянной температуре перемычка АВ бесконечно медленно перемещается на расстояние ΔХ (рисунок 11.1). При этом внешняя сила совершает работу

(11.5)

Эта работа пойдет на увеличение свободной энергии поверхности пленки.

(11.6)

где l – длина перемычки АВ.

Тогда из (11.5) и (11.6) с учетом (11.4) получим:

(11.7)

Из формулы (11.7) следует, что коэффициент поверхностного натяжения G можно определить как величину, равную силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины разрыва поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения G зависит от химического состава жидкости и граничащей с ней среды, примесей, внешних условий (температуры, давления) и не зависит от размера поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры, т.к. при повышении температуры усиливается интенсивность хаотического движения молекул жидкости, что приводит к ослаблению сил молекулярного воздействия.

Существует так называемое критическое состояние вещества, в котором две различные фазы (жидкая и газообразная) находятся между собой в равновесии, становятся тождественными (неразличимыми) по всем физическим свойствам. Такое состояние вещества характеризуется критическими параметрами, одним из которых является критическая температура. При критической температуре коэффициент поверхностного натяжения жидкости становится равным нулю.

На поверхностное натяжение жидкости оказывает большое влияние находящаяся в ней примесь. Добавление к воде небольшого количества органических веществ (мыла, спиртов, жирных кислот) вызывает значительное уменьшение поверхностного натяжения.

Вещества, уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения называют поверхностноактивными. У абсолютно чистых жидкостей (вода, этиловый спирт, ацетон) вся толщина жидкой фазы и ее поверхностный слой имеют совершенно одинаковый состав. В растворах поверхностноактивных веществ происходит повышение концентрации этих веществ в поверхностном слое раствора по сравнению с концентрацией этого вещества во всем объеме жидкости, что приводит к повышению коэффициента поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение жидкостных растворов отличается от поверхностного натяжения растворителя при тех же условиях. Это связано с тем, что в поверхностном слое находятся как молекулы растворителя, так и молекулы растворенного вещества.

В общем случае, работа, затрачиваемая на вывод молекул из поверхностного слоя растворенного вещества и растворителя, неодинакова, поэтому поверхностное натяжение растворов зависит от концентрации. Значение коэффициентов поверхностного натяжения растворов занимает промежуточное положение между коэффициентом поверхностного натяжения растворенного вещества и растворителя.