Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом капель

Цель работы: определение коэффициента поверхностного натяжения спирта методом капель.

  Задачи работы: 1) определить коэффициент поверхностного натяжения растворов спирта разных концентраций; 2) построить график зависимости поверхностного натяжения спирта от концентрации раствора.

Обеспечивающие средства: бюретка, растворы спирта различных концентраций.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение жидкости обусловлено действием молекулярных сил.

Жидкости, как и твердые и газообразные тела, состоят из молекул, между которыми действуют молекулярные силы сцепления. Эти силы весьма быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами. На расстоянии 10^-7 см силы становятся столь незначительными, что ими можно пренебречь; это предельное расстояние называется радиусом сферы молекулярного действия.

Если молекула М (рис.1) занимает положение, при котором вся ее сфера действия заполнена другими молекулами той же жидкости, то относительно молекулярных сил, действующих на нее, она находится в равновесии, так как равномерно притягивается во все стороны (). Это равновесие нарушается, когда молекула находится у поверхности жидкости на глубине, меньшей радиуса молекулярного действия (например, молекула М₁, рис.1). Нижняя половина сферы заполнена жидкостью, тогда как часть верхней полусферы заполнена воздухом и паром, имеющими меньшую плотность. Поэтому притяжение со стороны нижележащих молекул будет больше, а равнодействующая  всех действующих на молекулу М₁ молекулярных сил направлена внутрь жидкости нормально к ее поверхности. Отсюда следует, что на все молекулы, расположенные в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости. Благодаря этому поверхностный слой давит с большой силой на жидкость, создавая в ней так называемое внутреннее или молекулярное давление. Это давление очень велико (для воды, например, около 11×10⁸ Н/м²).

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии сравнительно с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эта избыточная энергия называется свободной поверхностной энергией W или просто поверхностной энергией. Указанными свойствами поверхностного слоя обусловлено особое его состояние, которое подобно состоянию натянутой упругой пленки, стремящейся сократить свою поверхность до малых размеров. Это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением.

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения s, который может быть определен отношением работы A (энергии W), затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при постоянной температуре, к площади этой поверхности S:

.                                                      (2)

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в Дж/м².

Рис.1

Также коэффициент поверхностного натяжения может быть введен, как величина, численно равная силе F, действующей на единицу длины произвольной линии L, мысленно проведенной на поверхности жидкости:

.                                                           (2)

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в Н/м.

Оба определения коэффициента поверхностного натяжения, (1) и (2), тождественны.

Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и действуют нормально (перпендикулярно) к любой линии, проведенной на этой поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры) и от степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения). Снижения поверхностного натяжения можно достигнуть введением в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ), уменьшающих энергию поверхностного слоя.

Поверхностное натяжение жидкости зависит от газа, с которым она образует межфазную границу раздела.