Измерение коэффициента поверхностного натяжения

Лабораторная работа № 8.

Измерение коэффициента поверхностного натяжения

Цель работы: отработать один из приемов определения коэф­фициента поверхностного натяжения воды.

Оборудование: лоток, флакон с водой, закрытый крышкой-ка­пельницей, стакан, весы с разновесами.

Теоретическая часть.

Общая характеристика жидкого состояния. В жидкости моле­кулы находятся значительно ближе друг к другу, чем в газе, поэтому молекулярные силы играют очень важную роль в поведении жид­кости. Молекулярные силы – силы, возникающие при взаимодействии молекул. Проявляются и как силы притяжения и как силы отталкивания. Именно наличием сил притяжения объясняется тот факт, что твердые тела не рассыпаются на отдельные молекулы. Более того, чтобы отделить одну часть твердого тела от другой, в ряде случаев требуется большая сила. Однако если бы между молекулами действовали только силы притяжения, то не было бы межмолекулярных промежутков и диффузия оказалась бы невозможной.

Пусть в открытом сосуде имеется некоторое количество жидко­сти. Рассмотрим действие молекулярных сил внутри жидкости и в ее поверхностном слое (рис. 1). На молекулу, находящуюся внутри жидкости, молекулярные силы действуют по всевозможным направлениям и компенсируют друг друга. Их равнодействующая равна нулю. На молекулу, находящуюся в поверхностном слое, молекулярные силы действуют не по всем направлениям. В этом случае равнодействующая молекулярных сил не равна нулю; она направлена внутрь жидкости. В результате жидкость стремится, как бы сжаться, т. е. принять форму, соответствующую наименьшей площади её поверхности при данном объеме. Такой формой является форма шара.

Рис. 1

Шарообразную форму жидкость может сохранять лишь в условиях невесомости, например в кабине космического корабля, совершающего орбитальный полет. В таких условиях жидкость из сосуда не вытекает. Если же ее вытряхнуть оттуда, она повиснет в воздух в виде шариков правильной формы.

В земных условиях весомости жидкость растекается по поверх­ности твердых тел. Только в малых количествах она способна сохра­нять овальную форму, близкую к шарообразной (например, в виде капелек росы).

Поверхностное натяжение. Молекулярные силы, действующие вдоль поверхностного слоя жидкости, создают ее поверхностное на­тяжение. В наличии поверхностного натяжения жидкости можно убедиться на простом опыте. Проволочное колечко опускают в мыль­ную воду. Если вынуть колечко из этого раствора, то оно окажется затянутым мыльной пленкой. На мыльную пленку аккуратно кла­дут связанную концами нитку (рис. 2, а). Проколов пленку внутри контура нитки, можно видеть, что нитка натянулась и приняла фор­му окружности (рис. 2, б). Сила, растягивающая нитку, является силой поверхностного натяжения.

Отношение силы поверхностного натяжения к длине границы поверхностного слоя жидкости называ­ют поверхностным натяжением (коэффициентом, поверхностного натяжения) данной жидкости:

. (1)

Рис. 2.

Установим единицу коэффициента поверхностного на­тяжения, жидкости в СИ: .

Коэффициенты поверхностного натяжения ряда жид­костей приведены в таблице 1.

Опыт показывает, что коэффициент поверхностного натяжения у разных жидкостей различен. Коэффициенты поверхностного натяжения зависят от природы жидкостей и температуры, а также от наличия примесей. Поскольку плотность упаковки частиц у раз­личных жидкостей неодинакова, возникают определенные различия и в величине молекулярных сил, чем и объяс­няется – зависимость коэффициента поверхностного натя­жения от природы жидкости.

С повышением температуры увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости, молекулярные силы уменьшаются и поэтому при повышении температуры коэффициент поверхностного натяжения жидкостей умень­шается. Это можно наблюдать на следующем опыте. На­сыпав на поверхность воды порошка ликоподия, слегка коснемся ее поверхности металлическим стержнем той же температуры, что и сама вода. Частички ликоподия остаются неподвижными. Коснемся теперь поверхности воды накаленным стержнем. Частички ликоподия разбе­гаются от центра сосуда к его краям, где температура воды ниже и силы поверхностного натяжения больше.

Таблица 1.

Коэффициенты поверхностного натяжения жид­костей (при )

Вещество	мН/м	Вещество	мН/м
Вода	73	Нефть	30
Глицерин	64	Новокаин (2% раствор)	70
Глюкоза (40% раствор)	75	Оливковое масло	32
Керосин	24	Плазма крови	58
Касторовое масло	36	Ртуть	510
Кровь	60	Скипидар	28
Мыльный раствор	40	Спирт этиловый	22
Медный купорос (раствор)	74	Эфир этиловый	17

Примеси, как правило, уменьшают коэффициент по­верхностного натяжения. Если в предыдущем опыте на поверхность воды, посыпанной порошком ликоподия, вве­сти каплю эфира, частички ликоподия быстро переместятся к краям сосуда. Значит силы поверхностного натяжения вблизи капли меньше, чем у стенок сосуда. Вещества, снижающие поверхностное натяжение жидкости, назы­ваются поверхностно-активными (по отношению данной жидкости). Для воды поверхностно-активными веществами являются эфир, спирт, нефть и особенно мыло, чем и объ­ясняются его хорошие моющие свойства.

Практическая часть.

1. Правила взвешивания.

Рассмотрите набор гирь и определите его состав, количество гирь, масса которых указана в граммах, количество миллиграммовых разновесов, порядок размещения гирь и пинцета в укладке.

Гири и разновесы переносят на весы пинцетом, который удерживают в руке загнутыми концами вверх.

Весы подвешивают к штативу и уравновешивают. Для экономии мел­ких гирь равновесия добиваются кусочками бумаги. Весы считают­ся уравновешенными, если их указатель занимает строго верти­кальное положение (рис. 3). Взвешиваемое тело кла­дут на левую чашку весов, а гири — на правую. Рис. 3.

Взвешивание начинают, используя гири большой массы. Вна­чале на весы кладут гирю наибольшей массы, при которой тело еще перевешивает. Затем добавляют более мелкую, но такую, при ко­торой тело еще перевешивает. Поочередно добавляют более мелкие гири до тех пор, пока весы не уравновесятся. Массу тела опреде­ляют по сумме масс всех гирь, которые пошли на то, чтобы его уравновесить.

2. Определение коэффициента поверхностного натяже­ния.

Существует несколько методов определения коэффи­циента поверхностного натяжения. Воспользуемся один из них – методом отрыва капель.

Общий вид экспериментальной установки для выполнения лабораторной работы показан на рисунке 4.

В работе используют фла­кон с пробкой-капельницей, диаметр отверстия которой со­ставляет 1,2 мм.

Определение массы одной капли проводят так. С помощью весов опреде­ляют массу стакана. (Все данные заносят в таблицу 2). Затем из капельницы в стакан капают 60 — 70 капель. Рис. 4.

Капли считают. Определяют массу стакана с водой. По разнице масс находят массу воды в стакане: . Разделив ее на число капель, находят массу од­ной капли: .

На каплю действуют две силы: сила тяжести капли и сила поверхностного натяжения , Приближенно можно считать, что капля отрывается вдоль линии, которую образует окружность от­верстия капельницы.

Таблица 2.

№ опыта	, кг	, кг	M, кг	N	m, кг	d, м	Н/м	Н/м
1
2
3
4
5

В таблице: – масса стакана с водой, – масса стакана, М – общая масса капель; N – число капель в ста­кане; m – масса одной капли, d – диаметр отверстия капельницы, – коэффициент поверхностного натяжения воды, – среднее значение коэффициента поверхностного натяжения воды.

Поверхностное натяжение удерживает каплю жидкости до тех пор, пока . В момент отрыва капли . Длина окружности от­верстия капельницы, которая ограничивает свобод­ную поверхность капли, , где r и d – соответственно радиус и диаметр от­верстия капельницы ().

Тогда коэффициент поверхностного натяжения . Т. е.

. (2)

Определив вес капли Р и измерив диаметр бюретки d, можно приближенно определить величину коэффициента поверхностного натяжения.

Аналогичным способом в медицине определяют коэф­фициент поверхностного натяжения желчи и спинномозго­вой жидкости. При возникновении в организме патологи­ческих очагов коэффициент поверхностного натяжения этих жидкостей изменяется, что используется для установ­ления диагноза ряда заболеваний.

Данные измерений и рас­четов заносят в таблицу 2.

Для исключения случайных ошибок опыт проводят несколько раз и находят среднее значение коэффициента поверхностного натяжения воды по формуле:

. (3)

В выводе сравните полученное Вами значение коэффициента поверхностного натяжения воды с табличным значением (см. таб. 1). Если получились расхождения, то объясните причины.

Вопросы для защиты лабораторной работы.

1. С помощью чего (как) гири и разновесы переносят на весы?

2. Как можно уравновесить весы?

3. На какую чашку весов кладут гири, а на какую взвешиваемое тело?

4. Какие силы называют молекулярными и как они проявляются?

5. Почему жидкость стремится принять форму шара?

6. Какую величину называют коэффициентом поверхностного натяжения? Обозначение. Единица измерения.

7. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?

8. Как найти среднее значение коэффициента поверхностного натяжения воды?

Литература

1. . Справ. материалы: Учеб. пособие для учащихся. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 1991. – с.: 83-84.

2. Касьянов : Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 6-е изд., стереотип. –М.: Дрофа, 2004. – с.: 299-303.

3. . Физика (для нетехнических специальностей): Учебн. для общеобразоват. учреждений сред. проф. образования/ , . – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2003 – с.: 107, 141-142.

4. Физика. , . – М.: «Медицина», 1978 – с.: 93-99.