Часть первая Физическая химия (стр. 13 )

Поверхностное натяжение воды при различных температурах

Температура	0	+20	+40	+60	+80
σ∙103	75,95	72,75	69,55	66,18	62,75

Поверхностное натяжение жидкостей может резко изменяться при растворении в них различных веществ. Растворенные вещества могут понижать или повышать поверхностное натяжение! Вещества, зна­чительно снижающие поверхностное на­тяжение данной жидкости, называют по­верхностно-активными. По отношению, к воде поверхностно-активными вещества­ми являются спирты, мыла, белки и др. Добавка таких веществ к воде облегчает вспенивание, т. е. образование большого количества новых поверхностных пленок жидкости, что объясняется снижением поверхностного натяжения воды.

Вещества, повышающие поверхност­ное натяжение жидкости, называются поверхностно-неактивными. Поверхност­ное натяжение воды, например, повышается при раство­рении минеральных кислот, щелочей, некоторых неор­ганических солей.

Измеряют поверхностное натяжение различными методами. Наиболее простым является метод «счета капель» при помощи прибора, называемого сталагмометром (Рис 10), который представляет собой пипетку, имеющую две метки; нижняя часть сталагмометра переходит в капилляр конец которого утолщен и отшлифован для получения одинаковых капель. Метод основан на том, что образующаяся на конце капиллярной трубки сталагмометра капля удерживается силой поверхностного натяжения. Отрывается капля в тот момент, когда ее вес станет равным или превысит на бесконечно малую вели­чину силу поверхностного натяжения, удерживающую каплю. Для жидкостей с большим поверхностным натя­жением отрыв капель затруднен и образующиеся капли будут более крупными, чем у жидкостей с меньшим поверхностным натяжением, поэтому и число их будет меньше.

Сталагмометр заполняют исследуемой жидкостью и считают число капель п, вытекающих из объема V. Затем его заполняют дистиллированной водой и считают число капель воды n0, вытекающих из этого же объема V. И момент отрыва капли ее вес равен силе поверхностного натяжения. Если из объема V вытекает п капель жидкости, имеющей плотность р, то вес капли определяют по уравнению , где g — ускорение свободного падения.

Сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю, равна 2πrσ; где 2πr — длина окружности отверстия капилляра, от которого отрывается капля. Для исследуемой жидкости

(III.18)

для воды 

,    (III.19)

где σ0 — поверхностное натяжение воды; ρ0 — ее плот­ность; n0 — число капель воды.

Поделив уравнение (III. 18) на (III. 19), получим

, откуда

  (III.20)

Плотность исследуемой жидкости, йоды и поверхност­ное натяжение воды а0 находят по таблицам для соответ­ствующей температуры, при которой производится изме­рение.

Вязкость жидкостей. Вязкостью или внутренним трением называется сопротивление, возникающее при дви­жении одних слоев жидкости относительно других. Если перемешивать палочкой воду, а тем более сахарный си­роп, подсолнечное масло, мед, глицерин, то при этом будет ощущаться сопротивление движению палочки. При движении одного слоя жидкости Соседние слои вовлекаются в это движение, но оказывают ему сопротивление. Величина этого сопротивления для разных жидкостей различна и зависит от химической природы жидкостей, т. е. от сил межмолекулярного взаимодействия. У таких жидкостей, как мёд, сахарный сироп, вязкость высокая, а у воды, этилового спирта она невелика.

Вязкость жидкости зависит от температуры; при по­вышении температуры она уменьшается, жидкость ста­новится более подвижной, т. е. ее текучесть увеличивает­ся. Обычно при повышении температуры на 1°С вязкость уменьшается примерно на 2%. Такие жидкости, как вин­ный спирт, вода, диэтиловый эфир, легкотекучие, а мед, глицерин, патока, масло — вязкие. Иногда вязкость по­вышается настолько, что жидкость перестает быть теку­чей и приобретает свойства твердых тел.

Вязкость растворов в значительной мере зависит от их концентрации; чем выше концентрация, тем больше вязкость.

В жидкостях при перемещении одних слоев относи­тельно других между слоями возникает сила трения, на­правленная противоположно направлению движения. Количественная характеристика этой силы выражается законом Ньютона:

,  (III.21)

где F — сила трения; S — площадь контакта двух слоев; Δυ — разность скоростей υ2 и υ1 этих слоев, находящихся на расстоянии l друг от друга; η — коэффициент пропор­циональности.

Если S=1 см2 и , то F=η. Поэтому вязкость качественно характеризуется коэффициентом вязкости, или коэффициентом внутреннего η (эта), который зависит от природы жидкости и температуры.

Вязкость измеряется в пуазах. Вязкость 1 П (0,1 НXс/м2)—очень большая величина: так, вязкость воды при 20º С равна всего 0,01 П, оливкового масла 0,98 П, а глицерина 10,63 П. На практике обычно определяют относительную вязкость, т. е. отношение вязкости исследуемой жидкости к вязкости воды, принимая вязкость воды равной одному сантипуазу (1 сП).

Один из методов измерения вязкости основан на определении времени истече­ния жидкости из капиллярной трубки вискозиметра (рис. 11). Время истечения равных объемов (на рис. 11 этот объем ограничен метками А и Б) воды и иссле­дуемой жидкости определяется в секундах. На основании опытных данных, расcчитывают относительную вязкость по формуле

,  (III.22)

где — относительная вязкость исследуемой жидкости по воде;  — коэффициент вязкости воды, равный I сП; рж и р — плотность исследуемой жидкости и во­ды; τж и  — время истечения исследуемой жидкости и воды. Величины τж и  определяют опытным путем при постоянной температуре; рж и р для данной тем­пературы берут из таблиц.

Определение вязкости имеет большое значение при изучении свойств растворов белков, углеводов и жиров. От вязкости зависит скорость диффузии вещества в жид­ких средах, а следовательно, и скорость химических ре-акций в растворах.

Растворы почти всегда более вязки, чем чистые рас­творители. Особенно ярко различие проявляется в рас­творах высокомолекулярных веществ. Поэтому жидкости, подчиняющиеся уравнению (III.22), называются ньюто­новскими в отличие от растворов полимеров, которые не подчиняются этому уравнению.

§ 9. Твердое состояние вещества

Твердые вещества в отличие от жидкостей и газов со­храняют свою форму. Частицы твердых тел так прочно связаны друг с другом силами сцепления, что поступа­тельное движение у них отсутствует и возможно лишь ко­лебательное движение около определенных точек. Твер­дые тела могут быть кристаллическими и аморфными.

Кристаллические тела имеют четкую внутреннюю структуру, обусловленную правильным расположением частиц в строго определенном периодически повторяю­щемся порядке. Размеры кристаллов могут быть различ­ны: от очень мелких до гигантских. Кристаллические те­ла имеют строго определенную температуру плавления. Для них характерно также явление анизотропии, заклю­чающееся в том, что свойства кристаллических тел в различных направлениях неодинаковы. Это объясняется тем, что в кристаллах теплопроводность, механическая прочность, скорость роста кристаллов, скорость раство­рения и другие свойства в различных направлениях раз­личны. Например, слюда легко разделяется на пластинки только в одном направлении (параллельно ее поверхно­сти), в других направлениях для разрушения слюды требуются значительно большие усилия. Аморфные тела не имеют строго определенной темпе­ратуры плавления, они размягчаются в некотором интер­вале температур и постепенно переходят в жидкое состоя­ние. При охлаждении эти расплавы переходят в твердое состояние, не образуя кристаллической структуры. Типич­ным представителем аморфных тел является обычное силикатное стекло, поэтому аморфное состояние часто называют стеклообразным.

В отличие от кристаллических для аморфных тел, так же как и для газов и жидкостей, характерно свойство изотропности, т. е. постоянство свойств (теплопроводно­сти, электропроводности, механических свойств и т. д.) по всем направлениям. Следует отметить, что поликристаллические тела, состоящие из большого числа беспо­рядочно ориентированных мелких кристаллов, в целом также оказываются изотропными телами, например ме­таллы.

Однако нельзя провести четкой границы между аморфными и кристаллическими телами. Например, са­хар может быть как в кристаллическом (сахарный песок, кусковый сахар), так и в аморфном состоянии (карамелизованный сахар). Кроме того, некоторые вещества, полученные в аморфном состоянии, со временем могут кристаллизоваться: так кристаллизуется карамель, что нежелательно в кондитерском производстве, кристаллизуются со временем стекла, теряя прозрачность. Это явление и технике называется расстекловыванием.