Изучение поверхностых явлений в жидкости

Раствор спирта C=___%

Цель работы:

1. Ознакомить студентов с методами измерения поверхностного натяжения жидкостей.

2. Изучить зависимость коэфициента поверхностного наяжения от концентрации раствора и температуры.

3. Изучить адсорбцию поверхностно-активных веществ (ПАВ) на поверхности жидкости.

Существует большой класс физических, химических, биологических и природных явлений, ход и течение которых существенно определяется особым энергетическим состоянием поверхности раздела фаз. Это – явления смачивания, растекания, диспергирования, эмульгирования, адсорбции и др.

Рис. 1.

Особые свойства поверхностного слоя жидкости объясняются тем, что число ближайших соседей молекул этого слоя отличается от их числа внутри объёма жидкости. В тонком слое на границе жидкости с паром число соседей меньше, чем в объёме. В результате силы, действующие на каждую молекулу в поверхностном слое, оказываются неуравновешеными: равнодействующая этих сил направлена в сторону жидкости перпендикулярно её поверхности. Вследствии этого поверхностный слой производит на остальную жидкость давление. Это так называемое внутренне давление, учитываемое в уравнении Ван-дер-Ваальса (

). Численное значение внутреннего давления громадно. Для воды, например,оно равно

. Взаимное притяжение между молекулами жидкости вызывает не только добавочное молекулярное давление, но и силу, направленную вдоль поверхности и стремящуюся ее сократить. Поскольку из всех возможных состояний наиболее устойчивым является то, в котором энергия системы минимальна, то всякая жидкость, чтобы удовлетворить этому условию, всегда стремится уменьшить свою поверхность. Если на поверхности жидкости мысленно провести произвольную линию, то нормально к ней по касательной к поверхности в противоположные стороны будут действовать силы поверхностного натяжения. Эти противоположно направленные силы уравновешивают друг друга. Поэтому для характеристики поверхностного натяжения определенной жидкости необходимо определить силу натяжения, отнесенную к единице длины произвольной линии, проведенной на поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения можно определить как отношение сил поверхностного натяжения к длине контура , ограничивающего поверхность . В системе СИ имеет размерность . Поскольку и определяют один и тот же эффект, а их размерности одинаковы, то . С другой стороны можно сказать, что силы внутреннего давления обуславливают самопроизвольное сокращение поверхности жидкости. При этом они совершают работу . С точки зрения термодинамики это эквивалентно наличию в поверхностном слое свободной поверхностной энергии , которая определяется работой, затрачиваемой для увеличения площади поверхности жидкости (). Работа, необходимая для изотермического увеличения поверхности на единицу площади называется удельной свободной поверхносьной энергией . В системе СИ размерность

Следовательно, поверхностным натяжением называют силу, действующую на единицу длины контура, или свободную энергию, приходящуюся на единицу площади поверхности. Оба эти определения эквивалентны. Размерности в обоих случаях одинаковы.

Наличие поверхностного натяжения приводит к появлению дополнительного давления, действующего на искривленную поверхность жидкости. Зависимость этого давленя от кривизны поверхности и межфазного поверхностного натяжения установил Лаплас

где и – главные радиусы кривизны в выбранной точке поверхности жидкости. Для шарообразной капли и, следовательно, . Добавочное молекулярное давление всегда направлено к центру кривизны. Поэтому для выпуклой поверхности оно направлено внутрь жидкости, для вогнутой – наружу.

Капиллярные явления.

Форма поверхности жидкости определяется взаимодействием ее с ограничивающими твердыми телами. Условия равновесия на линии раздела жидкость-газ-твердая стенка удобно рассмотреть в узких трубках, диаметр которых измеряется долями миллиметра. Такие трубки называют капиллярами. Если жидкость смачивает стенку, то она у края поднимается, образуя вогнутый мениск. В широком сосуде мениск, захватывающий лишь небольшую часть поверхности, непосредственно прилегающую к стенкам, не оказывает существенного влияния на давление жидкости. В тонких же капиллярных трубках мениск захватывает всю поверхность жидкости, искривляет ее и, следовательно, может оказывать значительное дополнительное давление на жидкость. Поэтому, если один конец узкой трубки опустить в сосуд со смачивающей ее стенки жидкостью, то последня поднимается у стенки и образует вогнутую поверхность, близкую к шаровой. Давление внутри трубки становится меньшим, чем в окружающей жидкости, на величину . За счет разности этих давлений жидкость в трубке поднимается до такой высоты , чтобы и уравновесилось избытком гидростатического давления :

Рис. 2.

Откуда высота поднятия жидкости в капилляре

. Выразив радиус кривизны

через краевой угол

и радиус трубки

(

), получим, что

Рис. 4.

. (1)

Если капиллярную трубку опустить одним концом в жидкость, не смачивающую ее стенок, то образуется выпуклый мениск и уровень жидкости внутри трубки будет ниже, чем в широком сосуде. Имеет место опускание жидкости в трубке. Последнюю формулу можно использовать для определения по измерениям высот поднятия жидкости в капиллярных трубках разных радиусов.

Если использовать два капилляра с радиусами и , то можно проградуировать прибор (см. рис.) по жидкости с известным , например, по воде. Оба капилляра, тщательно промытые, опущены в чашечку с водой. Перемещая тубус микроскопа вдоль вертикальной шкалы с нониусом, совмещают горизонтальную нить пререкрестия с касательной к мениску жидкости сначала в одной, а потом в другой трубке. При этом записывают отсчеты по вертикальной шкале. Пусть и – отсчеты, соответствующие положениям менисков воды в трубке. Тогда, очевидно, будет разностью высот подъема жидкости в них: . Используя (1) для воды с коэффициентом поверхностного натяжения и плотностью , получим для разности высот ее поднятия в каппилярах с радиусами и выражение

. (2)

Если в аналогичных измерениях, проведенных с исследуемой жидкостью, получены отсчеты и соответственно, то для разности высот ее поднятия в тех же капиллярах, получим

Рис. 3.

, (3)

где – плотность исследуемой жидкости при температуре опыта, – значение поверхностного натяжения.

Разделив выражения (2) и (3) друг на друга, получим рабочую формулу для расчета коэффициента :

. (4)

Метод максимального давления воздуха в пузырьке.

Исследования температурной и концентрационной зависимости поверхностного натяжения жидкостей удобнее проводить методом максимального давления в пузырьке, предложенном П.А.Ребиндером. Реализующий этот метод прибор состоит из наполненного водой аспиратора А, соединенного с манометром М и закрытым сосудом В, в который налита исследуемая жидкость. Эти элементы соединены друг с другом посредством четырехколенной трубки с отростком D с краном, обеспечивающем возможность соединения системы с атмосферой. Сосуд В помещают в стакан с водой и приспособлением для подогрева. Через отверстие в пробке в сосуд В введена стеклянная трубка, конец которой стянут в тонкий капилляр К – "кончик". Кончик помещается на уровне жидкости так, чтобы он только соприкасался с ее поверхностью; другой конец трубки открытый. Если закрыть кран Д и открыть кран аспиратора, то из него ночнёт вытекать вода. Это приведет к понижению давления в аспираторе и в сосуде В. Уменьшение давления будет сопровождаться возрастанием разности уровней жидкости в манометре. Под действием атмосферного давления P_атм в исследуюмую жидкость при некотором максимальном разрежении P_В в сосуде В через кончик порываеься пузырёк воздуха. вэтот момент разность атмосферного давления и давления воздуха в сосуде В P_атм- P_В, измеряемая манометром М, уравновешивает давление P, создаваемое поверхностным натяжением жидкости, стремящимся раздавить образующийся пузырёк. Так как кончик расположен на уровне жидкости, то все гидростатические поправки к давлению

могут быть исключены из равенства

следует формула для поверхностного натяжения σ:

Неизвестный (минимальный) радиус кривизны возникающего пузырька r нет необходимости определять при использовании относительного метода. Сначала поводят измерения P₀ для воды, поверхностное натяжение которой σ₀ известно. Затем определяют постоянную прибора ; .

Поверхностное натяжение исследуемой жидкости определяется в относительном методе по формуле

где разность уровней h₁ и h₂ в манометрических трубках.

В этой лабораторной работе выполняется три задачи. Эксперименты и вычисления выполняются в следующем порядке.

Задача №1. определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом капилярных трубок.

1. Полученные у лаборанта 2 капилляра тщательно промыть и опустить в чашечку с дистиллированной водой.

2. Наблюдая в микроскоп манометра, добиться резкого изображения мениска в одной из трубок. Наблюдаемое изображение будет перевернутым.

3. Перемещая тубус микроскопа по вертикальной шкале катетометра, совместить горизонтальную нить перекрестия с касательной к мениску в одной трубке и сделать отсчет . Затем совместить нить с мениском в другой трубке и сделать отсчет .

4. Подвигать столбцы жидкости в трубках, слегка приподняв и опустив их на прежнее место, вновь сделать отсчеты и . Операцию отсчета и повторить три раза.

5. Промыть капилляры исследуемым расствором спирта и опустить в чашечку с этим раствором.

6. Проделать такие же измерения с этим растворм три раза.

7. Результаты отсчетов, определения разности уровней h, их средних значений и погрешностей последних, а также табличные данные о и воды и раствора при температуре опыта записать в таблицу.

8. Расчет поверхностного натяжения поводить по формуле (4). Расчет погрешности проводить по формуле

;

пренебрегая погрешностями табличных данных и .

Задача №2. Изучение зависимости поверхностного натяжения водного раствора спирта от концентрации методом максимальноо давелния в пузырьке.

1. Ополоснув сосуд В и кончик трубки прибора Ребиндера водой, наливают в него воду и опускают кончик в воду так, чтобы он только касался её поверхности. Для проверки установки, открыв кран Д, соединяют систему с атмосферой. Если манометр устанавливается на нуле, то система трубок не засорена.

2. Закрыв кран Д, создают разность давлений в системе путём открытия крана аспиратора А. если показания манометра изменяются, то в системе есть течь, коорую необходимо устранить.

3. Добиваются медленного регулярного отрыва пузырьков, чтобы изменение давления происходило достаточно медленно и можно было бы легко отсчитывать высоты уровней в манометре в момент отрыва пузырька.

4. Определяют разность давлений для 10-ти пузырьков, рассчитывают среднее значение и порешность ее измерения.

5. Закрыв кран аспиратора, открывают кран Д, осторожно выливают воду из сосуда В и заливают в него исследуемые растворы, в порядке возрастания концетрации. Для каждого из растворов определяют среднее значение из 10 измерений и погрешность.

6. Результаты измерений, расчетов и их средних значений и погрешностей, температуру опыта и табличные значения при этой температуре заносят в таблицу.

Жидкость	Максимальное давление мм. рт. ст.	Поверхностное натяжение (Дж/м²)

Вода 0%
10%
15%
20%

Расчет поверхностного натяжения проводить по формуле (5). Расчет погрешностей поводить по формуле

7. По данным первого и последнего столбцов таблици строят график зависимости поверхностного натяжения водного раствора спирта от концентрации C.

Задача №3. Изучение зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры.

1. Для одного из растворов спирта (по указанию преподавателя) провести измерения максимального давления 10-ти пузырьковпри нескольких установившихся температурах(30°С, 40°С, 50°С) воды в подогреваемом стакане.

2. Для каждой из температур провести расчет среднего значения . Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.