Лабораторная работа № 10. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом Ребиндера.

Цель работы: Изучение явления поверхностного натяжения и его

характеристик, капиллярных явлений, освоение метода

Ребиндера и определение с его помощью коэффициента

поверхностного натяжения раствора этилового спирта.

Теоретическая часть.

Молекулы жидкости располо­жены друг от друга на расстоянии в несколько нанометров и между ними действуют силы взаимного притяжения.

На молекулу М_2, расположен­ную внутри жидкости (рис.1), действуют примерно одинаковые силы со стороны окружающих ее молекул, поэтому их равнодействующая в среднем равна нулю.

Для молекулы М₁, расположенной на поверхности жидкости, силы притяжения со стороны молекул газа очень малы по сравнению с силами притяжения молекул жидкости, поэтому равнодействующая F₁ этих сил направлена внутрь жидкости, перпендикулярно ее поверхности. Вследствие этого молекулы поверхностного слоя втягиваются внутрь объема жидкости и поверхностный слой оказывает молекулярное давление на жидкость.

Чтобы переместить молекулу изнутри объема на поверхность жидкости, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления, поэтому по сравнению с молекулами внутри жидкости каждая молекула на ее поверхности обладает дополнительной поверхностной потенциальной энергией.

Величина этой энергии W_п для всего поверхностного слоя прямо пропорциональна количеству молекул в этом слое и, следовательно, прямо пропорциональна площади S свободной поверхности жидкости:

W_п = σ·S. (1)

Коэффициент пропорциональности σ зависит только от температуры и природы жидкости и называется коэффициентом поверхностного натяжения, единицей его измерения в СИ является Джоуль/м² или Н/м.

Свободная поверхность жидкости стремится принять состояние с наименьшей потенциальной энергией и принять поэтому наименьшую возможную площадь. Сокращение поверхности жидкости вызывают молекулярные силы, действующие на молекулу М₁ (рис.1) поверхностного слоя по касательной к поверхности и стремящиеся как бы «разорвать» поверхность в точке М₁ и которые называются силами поверхностного натяжения. Если провести на поверхности жидкости воображаемую линию, то равнодействующая F_п сил поверхностного натяжения будет направлена по касательной к поверхности жидкости и одновременно перпендикулярно линии возможного разрыва поверхности. Эта сила пропорциональна числу молекул в линии разрыва, и, следовательно, ее длине l :

F_п = σ·l , (2)

где σ – тот же коэффициент поверхностного натяжения, выраженный в Н/м и численно равный силе пoверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины рассматриваемой линии.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит только от природы жидкости и ее температуры. Для различных веществ он принимает значения от 0,01 до 2,0 Н/м, для биокле­ток не более 0,10 Н/м.

Ве­щества, растворенные в жидкости, способны как понижать, так и повышать поверхностное натяжение. Вещества, понижа­ющие поверхностное натяжение раствора, называются поверх­ностно-активными веществами (ПАВ). К ним относится, в частности, сурфактант, снижающий поверхностное натяжение альвеолярных стенок, обеспечивая тем самым возможность дыхания.

Измерение коэффициента поверхностного натяжения имеет диагностиче­ское значение в клинике. Например, в норме для мочи человека он равен 66 мН/м, а при появлении в моче желчных пигмен­тов снижается до 56 мН/м.

Добавочное давление под изогнутой поверхностью жидкости. Формула Лапласа.

Если поверхность жидкости по каким-либо причинам искривлена, то силы поверхностного натяжения, действующие на молекулы поверхностного слоя направлены под углом и уже не компенсируют друг друга, а их результирующая направлена к центру кривизны поверхности и оказывает на поверхность дополнительное молекулярное давление Δр, величина которого рассчитывается по формуле Лапласа, которая для сферической поверхности радиуса R принимает вид:

(3)

Поскольку силы, создающие дополнительное молекулярное давление, направлены всегда к центру кривизны поверхности, то и дополнительному давлению Δр приписывают такую же направленность. В результате молекулярное давление под выпуклой поверхностью жидкости всегда больше, а под вогнутой – меньше, чем давление p₀ под плоской поверхностью:

р_вып=р₀ + Δр;

р_вогн=р₀ – Δр; (4)