Подготовка и проведение измерений

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА

ПРОВОЛОЧНОГО КОНТУРА

Цель работы:

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

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 остальной жидкостью. Внутри однородной 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 друг друга компенсируют, а равнодействующая всех сил, действующая на определенную молекулу равна нулю. 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. 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 дающим им разойтись на расстояние большее 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 данную жидкость среды этой молекулой совершается работа А. Чтобы совершить работу, молекулы должны обладать некоторой энергией. По определению, энергия является величиной характеризующей способность тела совершать работу. Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной энергией 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 пропорциональна изменению площади поверхности жидкости:

(11.1)

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

(11.2)

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

(11.1^/)

(11.2^/)

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 (11.3)

Т.е. коэффициент поверхностного натяжения можно определить также как свободную энергию единицы площади этой поверхности. Если поверхность ограничена периметром смачивания длиной l, то коэффициент поверхности натяжения можно рассматривать как силу F, действующую на единицу длины периметра смачивания и направленную 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 каждом участке dl можно было считать силу постоянной . Определенный таким образом коэффициентов поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в Н/м, что не противоречит выше названной единице измерения (2) и (3), т.к.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава рода жидкости; свойств среды, с которой жидкость граничит; наличия и количества добавок и примесей; и их концентрации растворов, внешних условий температуры и давления и не зависит от размера поверхности жидкости. При наличии в жидкости других веществ изменяется межмолекулярные силы. Вещества, уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения (мыло, жирные кислоты, спирты) называют поверхностно-активными. При увеличении температуры усиливается интенсивность хаотического движения молекул жидкости, что приводит к ослабления межмолекулярного взаимодействия и коэффициент поверхностного натяжения уменьшается. К поверхностно – активным веществам относятся органические соединения с ассиметричной молекулярной структурой, молекулы которых содержат атомные группы, резко различающиеся характером взаимодействия с окружающей средой.

Описание установки

Рисунок 11.1. - Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва проволочного контура

Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва проволочного контура (рисунок 11.1) состоит из штатива Ш, динамометра ДПН Д, чаши для жидкости Ч, проволочного контура П, который подвешивается на крючок К и винта держателя В. Динамометр Д состоит из пружины измерительной И, шкалы динамометра. Измерительная пружина И заканчивается крючком К.

Подготовка и проведение измерений

Упражнение 1. Определение коэффициента поверхностного натяжения для контуров различных размеров

1. В чашу для исследуемой жидкости Ч налейте исследуемую жидкость (по рекомендации преподавателя). На крючок К осторожно подвесьте проволочный контур П заданной длины (длина контура задается преподавателем).

2. Перемещая динамометр Д по высоте штатива, проволочный контур с помощью пинцета погрузите в жидкость так, чтобы он полностью покрывал этот контур. Медленно выкручивайте винт держателя В до тех пор, пока не разорвется пленка жидкости, тянувшаяся за контуром П. Заметьте по шкале динамометра А показание динамометра n, при котором разорвалась пленка.

3. Опыт повторите 3 раза.

4. Вычислите среднее арифметическое значение силы.

5. Вычислите коэффициент поверхностного натяжения жидкости по формуле:

(11.4)