Работа № 3. Идентификация жидкостей по коэффициенту поверхностного натяжения методом отрыва капель

 

 

Актуальность работы:

Коэффициент поверхностного натяжения является важной характеристикой жидкости, поскольку эта величина непосредственно связана с межмолекулярными силами. Знание коэффициента поверхностного натяжения необходимо для расчета всевозможных капиллярных явлений, для применения таких важнейших технологических процессов, как флотация руд и минералов. С коэффициентом поверхностного натяжения связаны другие существенные характеристики жидкостей: теплота испарения, адсорбции и др. Поэтому измерение этой величины имеет важное научное и техническое значение.

Цель работы:

Изучить поверхностные явления в жидкости, определить коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости, определение подлинности веществ методом отрыва капель

  Целевые задачи:

знать: коэффициент поверхностного натяжения, методы определения коэффициента поверхностного натяжения, формула Жюрена, метод отрыва капель.

уметь: находить коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва капель

План подготовки конспекта:

1. Основные теоретические сведения

2. Выяснить, что измеряется в лабораторной работе, каким методом и для чего.

2. Подготовить таблицу.

3. Записать расчётную формулу.

Вопросы для подготовки к входному тестированию:

1.Что называется силой поверхностного натяжения?

2.Определение коэффициента поверхностного натяжения и его размерность?

3. Формула Жюрена?

4. В чём суть метода отрыва кольца?

5.В чём суть метода отрыва капель?

6. Какие силы действуют на каплю при её отрыве?

Теоретические сведения.

     внутри сферы радиусом R = 1,5×10 ^-9 м, называемой сферой молекулярного действия, на каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих её молекул.

     Рассмотрим единичную молекулу, находящуюся внутри жидкости. Со всех сторон эту молекулу (а) окружает в среднем одинаковое число молекул. Поэтому результирующая сила притяжения, действующая на отдельно взятую молекулу (а), в среднем равна нулю (рис. 3.1).

 

а

Рис. 3.1

 

Иначе обстоит дело с молекулами (рис. 3.2), находящимися на поверхности жидкости.

Рис. 3.2

 

Так как концентрация молекул жидкости в газе, находящемся над её поверхностью мала, по сравнению с концентрацией молекул в самой жидкости, то результирующая сила F, всех сил f, действующих со стороны других молекул на молекулу (b), оказывается не равной нулю, и, направлена вглубь жидкости перпендикулярно её поверхности.

Таким образом, поверхностный мономолекулярный слой жидкости, слой толщиной примерно 1,5×10^-9 м будет оказывать на нижерасположенную жидкость давление, равное сумме результирующих сил, действующих на все молекулы, лежащие в одной квадратной единице поверхности. Это давление называют внутренним или молекулярным давлением. Величина этого давления порядка 10 000 атмосфер (в этом и заключается причина несжимаемости жидкости).

Под влиянием молекулярных сил поверхность жидкости сокращается до минимально возможных размеров. Если проволочное кольцо затянуть мыльной пленкой, то силы поверхностного натяжения F, будут недостаточны, чтобы сжать металлическое кольцо (рис. 3.3).

Рис. 3.3

Теперь возьмем проволочное кольцо, также затянутое мыльной пленкой, но с привязанной внутри нитью (рис. 3.4).

Рис. 3.4

 Нить 1 свободно лежит на поверхности мыльной пленки, так как на нить с обеих сторон действуют одинаковые силы натяжения F.

Но стоит только внутри петли проколоть пленку (рис. 3.5), как мыльная пленка, равномерно сокращаясь, вытянет нить, образуя полукольцо. Под действием сил поверхностного натяжения F мыльная пленка принимает наименьшую поверхность из возможных при данных условиях.

Рис. 3.5

Капля несмачивающей жидкости (рис. 3.6) находящаяся, например, на поверхности стола, под действием сил поверхностного натяжения F, которые направлены внутрь капли, будет стремиться принять форму шара. Но под действием силы тяжести Р, капля будет приплюснута (рис. 3.6).

Рис. 3.6

Сумма всех сил притяжения, действующих на контур, ограничивающих поверхность жидкости, называется силой поверхностного натяжения.                                          

Эта сила пропорциональна числу молекул n ₁ прилегающих к контуру, т.е. F = K ₁ × n ₁, где К₁ – коэффициент.

Число молекул n ₁ пропорционально длине контура l, т.е. n ₁ = K ₂ × l, где К₂ - коэффициент.

Поэтому сила поверхностного натяжения: F = K ₁ × K ₂ × l, приняв K ₁ × K ₂ = a, получим:

F = a × l, где a - коэффициент поверхностного натяжения.

Отсюда: a = .                                        (3.1)

 Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, направленной перпендикулярно контуру, ограничивающему поверхность жидкости, по касательной к этой поверхности.

Размерность коэффициента в СИ - Н∙м^-1.

Существует несколько методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости может быть определен по высоте поднятия жидкости по капилляру с использованием известной формулы Жюрена:

h =  ,

 где q - угол смачиваемости, a - коэффициент поверхностного натяжения, r - плотность жидкости, r - радиус капилляра.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения используется и метод отрыва кольца, основанный на измерении с помощью динамометра силы отрыва, а также метод отрыва капель. Точность этого метода позволяет использовать его в фармации для идентификации различных жидкостей.

Способ определения коэффициента поверхностного натяжения, основанный на методе отрыва капель, применяется в диагностических целях при определении коэффициента поверхностного натяжения спинномозговой жидкости, желчи и других жидкостей. Прибор, используемый для таких измерений, называется сталагмометром.

 

Метод отрыва капель

Теоретическое обоснование метода: образование капель жидкости при её вытекании из малых отверстий является результатом взаимодействия силы поверхностного натяжения и силы тяжести.

Если из вертикально установленной трубки с узким (капиллярным) отверстием медленно вытекает жидкость, то на конце трубки образуется постепенно нарастающая по величине капля. Увеличиваясь в размере, эта капля отрывается, когда её вес становится равным сопротивлению разрыва поверхностной пленки, поддерживающей каплю.

Перед отрывом капли у конца трубки образуется перетяжка l, по которой и происходит отрыв капли (рис. 3.7).

Рис. 3.7

Длина контура, по которому происходит отрыв капли, равна длине окружности перетяжки:

l = 2· p × r,                                                  (3.2)

 где r - радиус перетяжки, примерно равный радиусу капилляра.

Так как коэффициент поверхностного натяжения выражает силу, необходимую для разрыва пленки и рассчитанную на единицу длины контура разрыва D l, то сила поверхностного натяжения по всему контуру будет равна:

F = a × l.

Если вместо l подставить его значение из равенства (3.2), получим:

                 F = 2 × p × a × r                                                (3.3)

Перед отрывом капли сила натяжения F  уравновесит вес капли Р, тогда:

                 F =Р = 2×p×a× r                                           (3.4)

Если в этом уравнении известны величины F и r, то a находится из выражения:

a =   [ Н м^-1]                                         (3.5)

Вес одной капли Р может быть определен взвешиванием на аналитических весах, но определение радиуса перетяжки r связано с некоторыми затруднениями.

Метод, позволяющий избежать измерения радиуса перетяжки, заключается в сравнении коэффициента поверхностного натяжения a₁ исследуемой жидкости, с коэффициентом поверхностного натяжения эталонной жидкости a₂, для которой величина этого коэффициента известна.

В качестве эталонной жидкости обычно применяется дистиллированная вода, коэффициент поверхностного натяжения которой, при различных температурах, приводится в справочниках, но при необходимости можно использовать другие жидкости, для которых при различных температурах известны плотность и коэффициент поверхностного натяжения.

Формулу для расчета коэффициента поверхностного натяжения жидкости можно получить по данным опытных измерений, исходя из следующих соображений.

Допустим, что некоторый объём жидкости V содержит n капель, каждая весом Р= mg. Тогда вес всех капель в данном объёме жидкости будет равен произведению

Р × n = m·g·n.

     

Рис.3.8

Учитывая, что объём V =  и m = , можно записать: V = , (3.6)

 где r - плотность жидкости; Р - вес капли; g - ускорение свободного падения; n - количество капель в объёме V.

Используя формулу (3.4) преобразуем полученное выражение (3.6):

                                                    (3.7)

Так как при определении коэффициента поверхностного натяжения жидкости берут одинаковые объёмы исследуемой V₁ и эталонной V₂ жидкостей, то:

,                                      (3.8)

где a₁ - коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости; a₂ - коэффициент поверхностного натяжения эталонной жидкости; r _1,2 - плотность исследуемой и плотность эталонной жидкостей соответственно.

 Произведя преобразование, получим формулу для экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения:

.