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.
|
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 :
.
|
|
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
|
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 Pатм в исследуюмую жидкость при некотором максимальном разрежении PВ в сосуде В через кончик порываеься пузырёк воздуха. вэтот момент разность атмосферного давления и давления воздуха в сосуде В Pатм - PВ, 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.
№ | Вода | Раствор спирта C=___% | ||||
Среднее | Среднее |
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.
Темпера-тура, °С | Максимальное давление мм. рт. ст. | Поверхностное натяжение (Дж/м2) | ||||||||||
3. По данным первого и последнего столбцов таблицы построить график зависимости поверхностного натяжения раствора от температуры.