Строение жидкостей (стр. 3 )

Парафин на горячей воде плавится, и молекулы жидкого парафина поворачиваются, притягиваясь своими сильно взаимодействующими с водой концами к поверхности воды. В таком положении они и застывают, когда вода охлаждается, и в результате получается та двусторонняя пластинка, свойства которой мы обнаружили в описанном опыте.

Наиболее сильно влияние определенного расположения молекул в поверхностном слое у маслянистых веществ, обладающих смазочным действием. На основании химических исследований этим молекулам приписывают удлиненную форму, причем на одном ее конце находится группа атомов СООН (так называемая карбоксильная группа). Эта группа и обусловливает сцепление молекул маслянистых веществ с поверхностями твердых тел (активные концы). Другие концы тех же молекул дают очень малые силы сцепления (инертные концы).

Такое представление дает возможность объяснить смазочное действие очень тонких слоев масел. Слой смазки между двумя твердыми (например, металлическими) поверхностями разделяется на слои, обращенные друг к другу попеременно активными и инертными концами. К твердым телам примыкает слой молекул, прикрепившихся к нему своими активными концами. Эти молекулы располагаются подобно щетине на щетке. При движении происходит скольжение между инертными концами молекул смачивающего вещества. При этом скольжении силы взаимодействия малы. Поэтому и трение получается весьма малым.

Отметим, что у жидкостей, не обладающих смазочным действием в  тонких слоях, молекулярная картина течения жидкости вблизи твердого тела имеет иной характер.

Расположение молекул масляной смазки вблизи твердого тела А - активные концы молекул обозначены черным, инертные — белым. Скольжение происходит в местах В и D. В месте С скольжения нет.

§ 4

Жидкостные пленки.

Разберём поподробнее моющее действие мыла. Почему мыльный раствор помогает отмыть загрязнения?

Мы можем легко получить пену из мыльной воды. Выдувать красивые мыльные пузыри, получать различной формы жидкостные плёнки. Из чистой же воды пена получается очень неустойчивой.

Пена — это множество пузырьков воздуха, ограниченных тончайшей пленкой жидкости. Из жидкости, образующей пену, легко можно получить и отдельную пленку. Эти пленки очень интересны. Они могут быть чрезвычайно тонки: в наиболее тонких частях их толщина не превосходит стотысячной доли миллиметра. Несмотря на свою тонкость, они иногда очень устойчивы. Мыльную пленку можно растягивать и деформировать. Сквозь мыльную пленку может протекать струя воды, не разрушая ее. Смоченный мыльной водой стальной шарик пролетает сквозь мыльную пленку, оставляя ее целой. В момент пролета шарик, очевидно, обволакивается пленкой с обеих сторон и затем отрывается, причем поврежденное место поверхности немедленно восстанавливается.

Чем же объяснить устойчивость пленок? Прежде всего, заметим, что устойчивые пленки и пена не могут образовываться в химически чистых жидкостях. Непременным условием образования пены является прибавление к чистой жидкости (вода, спирт и т. п.) растворяющихся в ней веществ и притом таких, которые сильно понижают поверхностное натяжение (мыло, стиральные порошки). Как показывает опыт, молекулы такого растворенного вещества собираются в поверхностном слое жидкости (адсорбируются).

Какое это имеет значение для прочности пленки, например мыльной? Мыльная пленка представляет собой тройной слой. В двух наружных слоях мы имеем воду, насыщенную молекулами веществ, входящих в состав мыла, в среднем слое — почти чистую воду. А и В – поверхностные слои богатые молекулами мыла. С – слой почти чистой воды.

Поверхностное натяжение слоёв А и В меньше поверхностного натяжения слоя С. Поэтому, если вдруг где обнаружится слой воды, то Fв. п.>Fм. п. и слой мыла с водой заполнит это место.

Молекулы мыла обладают особым строением: они состоят из «активной» части, сильно взаимодействующей с водой и углеродного «хвоста», который с водой взаимодействует слабо. При отмывании загрязненной поверхности мыльным раствором молекулы мыла концентрируются (адсорбируются) на 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.

Теперь представим себе, что пленка по какой-нибудь причине в одном месте утончилась. Это поведет к тому, что здесь обнажится внутренний слой почти чистой воды. Поверхностное натяжение этого слоя, как мы видели, больше. Вследствие большого поверхностного натяжения утончившееся место плёнки потянет в свою сторону жидкость из других, более толстых частей. Этим снова достигается одинаковая толщина плёнки на всём протяжении и опасность разрыва плёнки исчезает.

Все же через некоторое время лопается и мыльная пленка. Причины этого разнообразны. Во-первых, пленка никогда не бывает вполне горизонтальной. Вследствие этого жидкость из верхней части пленки постепенно перетекает вниз. Во-вторых, пленка все время немного испаряется, а потому и утончается до такого состояния, при котором внутренний слой пленки, обусловливающий, как мы видели, ее устойчивость, истощается. В-третьих, на поверхности пленки могут происходить реакции окисления, ведущие к образованию новых веществ.

Чтобы сохранить мыльную пленку дольше, ее помещают под стеклянный сосуд, задерживающий испарение жидкости, и прибавляют в мыльный раствор вещества, увеличивающие его вязкость (сахар, глицерин). В таких условиях мыльные пузыри могут «жить и радовать нас своими красками» довольно продолжительное время (до двух и более недель). Природу происхождения различных цветов, переливания красок мы узнаем попозже при изучении «Оптических явлений».

В природе и технике мы обычно встречаемся не с отдельными пленками, а с собранием плёнок в виде пены. В строительной технике используются материалы, имеющие ячеистую структуру, вроде пены (например, пенобетон, пенополиуретан, пенопропилен пенопласт и т. д.). Такие материалы дешевы, легки, плохо проводят тепло и звуки и достаточно прочны. Для их изготовления добавляют в растворы, из которых образуются строительные материалы, вещества, способствующие ценообразованию. В огнетушителе также используются вещества образующие устойчивую пенную структуру.

§ 5

Флотация.

Среди разнообразных способов обогащения руды большое значение приобрел способ, основанный на явлениях смачивания — флотация (всплывание). Наибольшее значение она имеет для руд цветных металлов.

Чистая руда почти никогда не встречается в природе. Почти всегда полезное ископаемое перемешано с «пустой», т. е. ненужной горной породой. Руда, в которой мало полезного ископаемого, называется бедной. Процесс отделения пустой породы от полезного ископаемого называется обогащением руды.

Сущность флотации состоит в следующем. Раздробленная в мелкий порошок руда взбалтывается в воде. Туда же добавляется небольшое количество вещества, обладающего способностью смачивать одну из подлежащих разделению частей (например, крупицы полезного ископаемого) и не смачивающего другую часть (крупицы пустой породы). Кроме того, добавляемое вещество не должно растворяться в воде, так что вода не будет смачивать поверхность крупицы, покрытую тонкой пленкой добавки. Обычно применяют какое-нибудь дешевое масло.

В результате перемешивания крупицы полезной руды обволакиваются тонкой пленкой масла, а крупицы пустой породы остаются свободными. В то же время в получившуюся кашеобразную смесь вдувается очень мелкими пузырьками воздух.

Флотация: а) пузырек воздуха приближается к крупинке породы, покрытой пленкой масла; б) тонкая пленка воды между воздухом и крупинкой стягивается, обнажая поверхность крупинки.

Пузырьки воздуха, пришедшие в соприкосновение с крупицей полезной породы, покрытой слоем масла и потому не смачиваемой водой, прилипают к ней. Это происходит потому, что тонкая пленка воды между пузырьками воздуха и не смачиваемой ею поверхностью крупицы, стремясь уменьшить свою поверхность, обнажает поверхность крупицы (подобно тому, как вода на жирной поверхности собирается в капли, обнажая этим поверхность).

У крупиц полезной руды вместе с прилипшими к ним пузырьками воздуха средняя плотность меньше плотности воды, и они постепенно поднимаются кверху, а крупицы пустой породы опускаются вниз. Таким образом, происходит более или менее полное отделение пустой породы и получается так называемый концентрат, настолько богатый полезной рудой, что дальнейшая обработка его становится возможной и выгодной.

На рисунке показана схема флотационной установки: 1 – труба, по которой поступает взвесь измельченной руды в воде, 2 - сосуд, из которого капает флотационный реагент (масло), 3 - поступление воздуха, засасываемого винтом, 4 - место, где всплывшая полезная порода отделяется от оседающей пустой породы, 5 - сток пены с полезной породой (концентрат).

§ 6

Капиллярные явления.

Рассмотрим свойства жидкости в тонких трубках – капиллярах. Опустим в воду капиллярную трубку. Что мы видим? Вода поднимается по трубке! Вода, которая смачивает стенки трубки, поднимается в ней на некоторую высоту h над её уровнем в широком сосуде. Поподробнее изучим это явление.

В узких трубках смачивающая стенки трубки жидкость образует вогнутые кривые поверхности – мениск (поднимаясь на высоту h). В трубках, где жидкость не смачивает стенки трубки, мениск имеет выпуклую форму (жидкость опускается ниже уровня в широком сосуде на h).

Под капиллярными явлениями понимают подъём или опускание жидкости в узких трубках – капиллярах, по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.

В случае и < 90є, жидкость смачивает твёрдое тело, если и > 90є, то жидкость не смачивает твёрдое тело.

Если жидкость полностью смачивает тело (и = 0є), то со стороны жидкости на линию её соприкосновения с твёрдым телом. ℓ=2рr действует сила F направленная вниз. Со стороны твёрдого тела на жидкость действует такая же по модулю сила F1 направленная вверх. Она вызывает подъём (опускание) жидкости в капилляре, при которой сила тяжести Fт, действующая на весь поднятый столбик жидкости равна F1.