Поверхностное натяжение жидкости (стр. 3 )

Тема 8 Капиллярные явления

Эксперимент №1: Пронаблюдать кусочек мела в воде, выпускающий пузырьки воздуха.

Эксперимент №2: Подъём воды между двумя пластинками сложенными вместе с одного края и спичкой с другого края.

Эксперимент №3: Определение радиуса капилляров ткани, фильтровальной бумаги при измерении высоты подъёма жидкости.

Рассмотреть роль капиллярных явлений в биологии. У растений, животных, человека.

Некоторые данные для организма человека.

Площадь поперечного сечения аорты 8 см, общая площадь всех капилляров

3200 см2, площадь капилляров больше. Скорость кровотока в начале аорты 20 см/с, скорость кровотока в капилляре – 0,05 см/с. Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5 мм. В теле взрослого человека имеется до 160 тыс. капилляров.

Общая длина капилляров достигает 60 – 80 тыс. км; через каждый квадратный миллиметр поперечного сечения сердечной мышцы в среднем проходит до 2 тыс. капилляров.

Тема 9 Адсорбция. Флотация

Из-за явления смачивания молекулы жидкости прилипают к твёрдому телу и некоторое время на нём удерживаются. То же может происходить и с молекулами газа. Твёрдое тело, находящееся в газе, всегда покрыто слоем молекул газа, некоторое время удерживающихся на нём молекулярными силами. Это явление называется адсорбция. Активированный уголь, т. е. уголь, освобожденный от смолистых примесей прокаливанием, способен адсорбировать громадные количества газа.

Эксперимент №1: Наблюдать свойства активированного угля: нагревание в пробирке порошка активированного угля, или препарат карболен, размельчённый в порошок. Выделение газа похоже на бурное кипение жидкости.

Адсорбция применяется для улавливания ценных газообразных веществ, получающихся при химических производствах; в медицине – для извлечения вредных газов при разнообразных отравлениях. Для ускорения некоторых химических реакций между газами.

При отмывании загрязнённой поверхности мыльным раствором молекулы мыла концентрируются (адсорбируются) па отмываемой поверхности и оказываются ориентированными активными концами к воде. В этом случае поверхность тела лучше смачивается водой. Вода растекается по поверхности тела, вытесняя с неё частицы грязи. Напомним, что молекулы мыла имеют особое строение: углеводородная их часть с водой взаимодействует слабо, а «активная» часть - сильно.

Флотация. Слово имеет французские корни, и означает всплывание. Процесс обогащения руд также основан на явлении смачивания и не смачивания.

В горных породах полезные ископаемые часто включены, лишь в незначительных количествах в пустую породу. Во флотационную ванну, содержащую измельчённую руду, добавляют небольшое количество специально подобранного вещества (обычно дешёвые сорта масла), которое обладает способностью смачивать частицы полезного ископаемого, т. е. обволакивать их тонким слоем, и не смачивать пустую породу. Частицы полезного минерала, покрытые тонкой плёнкой масла, не смачиваются водой, а частицы пустой породы водой смачиваются.

Через флотационную ванну продувают воздух. Пузырьки воздуха вытесняют воду с масляного слоя на поверхность частиц полезного минерала, и поэтому эти частицы оказываются прилипшими к воздушным пузырькам. Всплывают частица с минералом вместе на поверхность воды. В ванне образуется пена, содержащая концентрат, обогащённый ценным минералом. Пустая порода остаётся на дне флотационной ванны.

На этом основано обогащение руд, моющее действие мыла, применение противогаза.

Тема 10 Растворения веществ

Растворение - проникновение тел при соприкосновении в объём занимаемый другим телом (двух жидкостей или газа и жидкости). Растворение это результат диффузии по всему объёму вещества, адсорбированного в поверхностном слое.

Эксперимент №1: Рассмотреть воду, налитую в стакан из крана. Пронаблюдать пузырьки газа. При нагревании воды и, особенно при кипячении, растворённые газы удаляются почти полностью.

Эксперимент №2: Прокипятить некоторое время воду в колбе, дать ей остыть. Осторожно, не встряхивая колбы, присоединить к ней жидкостный манометр. Потом встряхнуть колбу так, чтобы большая поверхность воды сразу пришла в соприкосновение с воздухом в колбе. Манометр покажет уменьшение давления – часть воздуха поглотилась водой.

Закон Генри: при насыщении масса растворённого в жидкости газа прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа над жидкостью. Этим пользуются при газировании воды. Вода приводится в длительное соприкосновение с углекислым газом, имеющим большое давление.

Количество газа, растворённого в жидкости, зависит также и от температуры. Растворимость газа в жидкости при повышении температуры почти всегда уменьшается.

Растворимость газа зависит от природы жидкости и газа. Кислород растворяется в воде вдвое больше, чем азот.

Газы могут растворяться и в твёрдых телах. Некоторые металлы способны растворять определённое количество газов (в особенности водорода). Скорость диффузии увеличивается при повышении температуры. А сильно нагретый палладий довольно легко пропускает сквозь себя водород.

Растворение твёрдого вещества похоже на растворение жидкости в жидкости. В этом случае молекулы твёрдого вещества постепенно распределяются среди молекул растворителя. Масса растворённого вещества, приходящегося на единицу объёма растворителя, носит название концентрации раствора.

В водолазном деле явление растворения газов имеет большое значение. Кровь водолаза, дышащего воздухом под большим давлением, насыщена азотом (кислород не принимается во внимание, т. к. он быстро связывается с кровью химически). При быстром подъёме с глубины азот может выделиться из крови внутри кровеносных сосудов в виде пузырьков и закупоривать их. Это является крайне опасным для здоровья.

ГДЕ И КАК ПРИМЕНЯЮТСЯ МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ?

(Тема 4 Жидкостные плёнки)

Необходимо, чтобы при мытье и при стирке вещей грязь перешла с их поверхности в моющий раствор, в воду. Однако многие загрязнения в воде не растворяются. Как же удержать их там и не дать им снова осесть на поверхности вещей?

Это достигается с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), к числу которых относится и мыло. Эти вещества способны дробить загрязнения на мельчайшие частицы и удерживать их в воде, не давая им снова осесть на очищенную поверхность.

Основной состав любого твердого мыла одинаков. Это натриевые соли высших карбоновых кислот, обычно получаемых из жиров природного происхождения. Отличия заключаются в добавках, которые вносят в мыло в зависимости от его назначения.

Теперь мы подошли к самой сути проблемы мытья и стирки. Гидрофобная часть молекулы мыла проникает в гидрофобное загрязняющее вещество (жир), в результате чего поверхность каждой частицы или капельки загрязнения оказывается как бы окруженной оболочкой из гидрофильных групп. Гидрофильные группы взаимодействуют с полярными молекулами воды. Благодаря этому молекулы моющего средства вместе с загрязнением отрываются от поверхности ткани и уходят в водную среду. Моющая способность мыла усиливается благодаря тому, что при гидролизе мыла образуется щелочь, которая обладает эмульгирующим свойством.

В жесткой воде моющая способность мыла резко снижается, поскольку растворимые натриевые или калиевые соли жирных высших кислот вступают в обменную реакцию с имеющимися в жесткой воде растворимыми кислыми карбонатами щелочноземельных металлов, главным образом кальция. Получающиеся при этом нерастворимые кальциевые соли высших жирных кислот образуют липкие осадки. Мытье рук всегда ассоциируется с обильной пеной, и чем больше пены, тем, как известно, руки моются легче. Пена уносит частицы грязи. Но пена вовсе не обязательна для мытья. Мыло на основе касторового масла вообще не пенится, но моющая способность его прекрасная.

Пена – спутник всякого хорошего мыла, как бы индикатор его присутствия. Интересна область применения мыльных пузырей. Оказывается, с их помощью решаются трудные математические задачи определения минимальных поверхностей. Мыльные пузыри использует служба прогнозов погоды. Пускать мыльные пузыри очень нравится маленьким детям. У любого мыла есть существенный недостаток – для его изготовления нужны большие количества пищевых продуктов (животных и растительных жиров). На смену мылу пришли СМС – ПАВ, в которых длинный углеводородный предельный (чаще всего неразветвленный) радикал (как в мыле) соединен с сульфатной или сульфонатной группой. Их производство основано на продуктах переработки нефти.

ФАКТЫ:

Ø  В медицинском древнеегипетском трактате Г. Эберса (названном его именем и опубликованном им в 1875 г.) мыло упоминается как лекарственный препарат.

Ø  В дошедших до нас документах раннего средневековья упоминаний о мыле нет. И это неудивительно. В те суровые годы, освещенные зловещими кострами инквизиции, понятие о чистоте и гигиене отступило на задний план.

Ø  Если в Древнем Риме было около 800 бань, то в середине второго тысячелетия испанская королева Изабелла Католическая гордилась тем, что мылась два раза в жизни – после рождения и перед выходом замуж.

Ø  По преданию, английский король Генрих II учредил орден Бани. Привилегией кавалеров этого ордена было умывание.

Ø  Мыловарение возникло в Европе только в XIV в. На научную основу производство мыла было поставлено в начале XIX в. Этому способствовали многочисленные исследования французского химика Мишеля Шевреля в области химии жиров. С тех пор производство мыла не претерпело принципиальных изменений.

Ø  Смачивающая и эмульгирующая способность мыла делают его вспомогательным веществом в технологических процессах производства тканей, лекарств, пластмасс, синтетических каучуков, туши, чернил. Мыльные растворы помогают извлечь нефть из истощенных скважин. Чтобы корабли не обрастали со дна ракушками и из-за этого не снижалась их скорость, наружную обшивку корпуса покрывают нерастворимым в воде мылом (соль алюминия).

ПРИМЕНЕНИЕ МЫЛЬНЫХ ПУЗЫРЕЙ

Трудно представить, что обыкновенное мыло может ускорять или замедлять окислительные реакции, то есть играть роль катализаторов. А между тем ученые московского Института химической физики РАН одни из первых выяснили, что некоторые поверхностно-активные вещества (ПАВ) могут выступать именно в этой роли. Чтобы превратить нефть в различные материалы, необходимые человечеству, ее приходится перерабатывать. Так называемое жидкофазное окисление углеводородов позволяет превратить нефть в органические кислоты, эфиры, мономеры. Именно из этих веществ потом получают полимеры, красители, лекарства и многое другое. Однако такая переработка нефти требует высоких температур, а значит, много энергии и дорогих катализаторов. Кроме того, в результате всех этих премудростей получают смесь различных веществ, которую в дальнейшем приходится разделять. Все это долго и дорого. А что будет, если в уже очищенную нефть добавить воды и ПАВ? Эти вещества всегда находятся на поверхности раздела фаз: между органической и водной средой. Поэтому в нефти образуются стабильные "мыльные пузыри", наполненные водой. Их стенки состоят из молекул ПАВ. Оказалось, что в этих пузырьках, которые ученые назвали "мицеллами", могут происходить различные химические реакции. Ученые сконструировали такие "микрореакторы" для окислительной переработки углеводородного сырья. Стенки микрореакторов построены из ПАВ и соединений переходных металлов. Интересно, что в этом случае высокая температура не требуется: в мицеллах стенки подвижные и легко подстраиваются под геометрию реакции. А чтобы ускорить реакцию, ученые используют ультразвук. Таким образом, ученые предложили новый промышленный метод переработки нефти, который использует низкие температуры, обладает высокой селективностью и оставляет минимум нетоксичных отходов.