Теорія і метод вимірювання

Однією з характеристик рідинних середовищ є коефіцієнт поверхневого натягу α. Визначення α плазми крові, хребетно-мозкової рідини, сечі, сироватки крові має важливе значення для діагностики захворювань. Наприклад, при анарілактичному шоку α різко зменшується. При захворюванні жовтяницею поверхневий натяг сечі зменшується внаслідок появи у ній жовчних кислот. При діабеті і деяких інших захворюваннях збільшується вміст ліпази у крові. Про збільшення ліпази свідчить зміна поверхневого натягу розчину трибутилену при додаванні до нього крові.

Поверхневим натягом рідин пояснюється явище газової емболії, яка виникає, якщо пухирець газу попадає у кровоносну судину маленького діаметра. У цьому випадку може наступити повна закупорка судини. Тому при ін'єкціях, вливаннях та інших процедурах у кровоносні судини не повинні попадати пухирці повітря. Газова емболія може виникнути і при різкому переході організму з середовища з високим тиском у середовище з низьким тиском. Справа у тому, що у крові і тканинних рідинах завжди є розчинені гази. Якщо тиск різко зменшити, то ці гази виділяються і у кровоносних судинах з'являються пухирці (кесонна хвороба).

Поверхневий натяг відіграє важливу роль при ендоцитозі, фагоцитозі, коли клітини організму захоплюють зовнішні речовини, чужорідні тіла і переварюють їх. Захоплення здійснюється за допомогою вип'ячувань, що виникають на поверхні клітин. Вип'ячування поверхні відбувається внаслідок зменшення поверхневого натягу у тих ділянках клітини, де відбувається ендоцитоз.

Зменшення поверхневого натягу ділянок клітин здійснюється під впливом поверхнево-активних речовин. Поверхнево-активні речовини (ПАР) мають велике значення у біології і медицині, оскільки вони беруть участь у багатьох процесах, які відбуваються у живих організмах. ПАР, не розчиняючись у рідині, збираються на поверхні і змінюють величину α.

Багато біологічних сполук виявляють поверхневу активність. Так, у альвеолах легень у поверхневому їх шарі є моношар сурфактанту - поверхнево-активної речовини, який збільшує тиск у альвеолах і перешкоджає їх складанню при глибокому видиху. Інколи у легенях новонароджених виникає недостатність сурфактанту. І тоді розвивається легенева недостатність.

Важливу роль відіграють ПАР і у процесах травлення. Здатність жовчі сприяти травленню жирів залежить не тільки від її хімічної дії. Жовч по відношенню до жирів є ПАР і тому зменшує поверхневий натяг крапель жиру, що сприяє їх подрібненню на менші краплини.

Вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу клітин дозволило у свій час вказати на наявність білків у цитоплазматичній мембрані, що здобуло підтвердження у електронно-мікроскопічних та рентгеноструктурних дослідженнях. Взаємодія деяких ПАР з мембранними білками може призвести до сильних конформаційних змін і до зниження біологічної активності аж до їх повної денатурації.

Пояснимо суть явища поверхневого натягу. Молекули рідини притягуються одна до одної з силою F. Для молекули А (рис.1), що знаходиться в середині рідини, дія всіх сил в середньому дорівнює нулю.

Рис. 1 Рис. 2

 

Інакше стоїть справа з молекулою Б, що міститься біля поверхні рідини. Оскільки густина пари значно менша густини рідини, на молекулу буде діяти сила, спрямована вертикально вниз. Під дією цієї сили молекули поверхні втягуються у середину рідини. При відсутності зовнішніх сил рідина набуває такої форми, при якій площина її поверхні мінімальна - форму сфери. Для збільшення поверхні рідини необхідно, щоб частина її молекул вийшла на поверхню. Такий вихід чиниться проти сил молекулярного тяжіння і для його здійснення повинні виконати роботу зовнішні сили. При зростанні температури рідини хаотичний рух молекул збільшується, він протидіє молекулярному притяганню і поверхневий натяг зменшується.

Силу поверхневого натягу рідини можна виміряти, розірвавши поверхневий шар. Для цього у даній роботі застосовується відрив від рідини кільця, що змочується (рис. 2).

При занурюванні кільця, молекули рідини взаємодіють з матеріалом кільця з більшою силою, ніж одна з одною. При підніманні кільця разом з ним піднімається і частина рідини. Для подальшого піднімання кільця треба перебороти його вагу, вагу піднятої рідини і силу поверхневого натягу по зовнішньому і внутрішньому колу кільця. Вагою піднятої рідини можна знехтувати порівняно з силою поверхневого натягу. Тоді:

 

, (1)

 

де а - коефіцієнт поверхневого натягу рідини, l - довжина контуру, по якому розривається поверхня. У нашому випадку l є сума довжин зовнішнього і внутрішнього кола:

 

l=πD + π(D –2b) = 2π(D -b), (2)

 

де b - товщина кільця, D - зовнішній і (D — 2b) внутрішній діаметри кільця. Якщо виміряти силу, при якій відбувається відрив кільця від рідини, і розміри кільця, то формула (2) дозволяє визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини:

(3)

Порядок виконання роботи:

 

Завдання 1.

 

1. Ознайомтесь з установкою. Штангенциркулем виміряйте зовнішній діаметр D та товщину b кільця.

2. Налийте у чашку Петрі або іншу посудину рідину і поставте її на стіл під кільце. Обертаючи маховичок приладу, опустіть кільце у рідину. Повільно підіймаючи кільце, на шкалі приладу зафіксуйте положення кільця у момент відриву його від рідини.

3. За таблицею, яка подається до установки, або за допомогою рівноваг визначте силу F=тg, що потрібна для розтягування пружини до зафіксованого значення (g =9,81 м/с²).

4. За формулою (3) визначте коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

5. Виконайте дії пп. 2-4 ще два рази.

Результати вимірювань та розрахунків занесіть до таблиці 1. Визначте похибки вимірювань.

Результати роботи подайте у формі:

Таблиця 1

№	D	b	F	α	∆α	ε
Середні значення

Завдання 2.

Додайте до розчину поверхнево-активної речовини, наприклад спирту або розчину мила). Виконайте дії, що перелічені у завданні 1. Результати вимірювань та розрахунків занесіть до таблиці 2, аналогічної таблиці 1.

Таблиця 2

№	D	b	F	α	∆α	ε
Середні значення

 

Дайте відповіді на запитання:

1.Яке значення для діагностики захворювань має визначення коефіцієнта поверхневого натягу речовини?

2.Які речовини називають поверхнево-активними? Наведіть приклади поверхнево-активних речовин.

3.Як залежить величина α від температури розчину?