Осторожно наливая чай в чашку или воду в стакан, иногда можно увидеть, что уровень воды немного выше края посуды. Как это получилось? Что это за чудо?
Свойство границы раздела между жидкостью и воздухом, находящимся в контакте с ее свободной поверхностью, в науке называют поверхностным натяжением. Поверхностно активные вещества (ПАВ) имеют очень низкий коэффициент поверхностного натяжения. Также они являются гидрофобными веществами, то есть очень слабо взаимодействуют с водой. Поверхностное натяжение обусловлено тем, что молекула жидкости на поверхности испытывает действие сил только соседних молекул, находящихся в контакте с ней, в то время как молекула внутри жидкости испытывает воздействие со всех сторон. Следовательно, молекула на поверхности испытывает воздействие результирующей силы, направленной ортогонально к свободной поверхности внутрь жидкости. Поэтому, для переноса молекул из глубины, необходимо затратить некоторую энергию [1].
В работах Б. Д. Сумма отмечается, что поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости [2. С.71].
Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами. В ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов (например, в случае концентрированных растворов полимеров с высокой вязкостью). Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения.
Статические методы:
1. Метод поднятия в капилляре
2. Метод Вильгельми
3. Метод лежачей капли
4. Метод определения по форме висячей капли.
5. Метод вращающейся капли.
Динамические методы:
1. Метод дю Нуи (метод отрыва кольца).
2. Сталагмометрический, или метод счета капель.
3. Метод максимального давления пузырька.
4. Метод осциллирующей струи
5. Метод стоячих волн
6. Метод бегущих волн
Актуальность работы: Силы поверхностного натяжения играют важную роль в таких областях как металлургия, нефтедобыча, строительство и лакокрасочная промышленность. В металлургии они используются в качестве смазки прокатных станков и действуют при очень высоких температурах, при которых не имеется возможности использовать масло из-за его горючести. В строительстве ПАВ добавляют в цемент, что позволяет увеличить водостойкость, морозостойкость и прочность затвердевшего материала. В лакокрасочной промышленности ПАВ используют для снижения силы поверхностного натяжения, что позволяет краскам проникать в маленькие углубления поверхности и их заполнение с вытеснением при этом оттуда другого вещества (например, воды). В нефтедобыче ПАВ используют для гидрофобизации призабойных зон пласта, что позволяет увеличить нефтеотдачу и сократить потери нефти.
Цель исследования: обнаружить различие коэффициентов поверхностного натяжения у различных жидкостей.
Оборудование: установка для измерения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца, водопроводная вода, дистиллированная вода, спирт 90 %, виски 40 %, уксус 9 %, глицерин, солярка, касторовое масло, машинное масло, анилин.
Диаметр кольца, равный 0,111 м, одинаковый для всех экспериментов.
Ход работы: собрать установку для измерения поверхностного натяжения методом отрыва кольца, провести не менее 6 измерений для каждой жидкости, найти коэффициент по формуле (A=F/2 πd) и сравнить результаты. Метод отрыва кольца основан на измерении усилия, необходимого для отрыва проволочного кольца от поверхности жидкости.
Результаты измерений
Водопроводная вода:
F1=56 мН; F2=55 мН;
F3=56 мН; F4=55 мН;
F5=55 мН; F6=56 мН;
F7=55 мН; F8=56 мН;
F=55,5 мН
Дистиллированная вода:
F1=55 Н; F2=55 Н;
F3=55 Н; F4=55 Н;
F5=55 Н; F6=55 Н;
F7=55 Н; F8=55 Н;
F=55 Н
Спирт 90 %:
F1=18 мН; F2=18 мН;
F3=18 мН; F4=18 мН;
F5=18 мН; F6=18 мН;
F7=18 мН; F8=18 мН;
F=18 мН
Виски 40 %:
F1=25 мН; F2=25 мН;
F3=25 мН; F4=25 мН;
F5=25 мН; F6=25 мН;
F7=25 мН; F8=25 мН;
F=25 мН
Уксус 9 %
F1=47 мН; F2=46 мН;
F3=47 мН; F4=47 мН;
F5=47 мН; F6=46 мН;
F7=47 мН; F8=47 мН;
F=46,75 мН
Глицерин
F1=50 мН; F2=51 мН;
F3=51 мН; F4=52 мН;
F5=50 мН; F6=53 мН;
F7=52 мН; F8=51 мН;
F=51,25 мН
Солярка
F1=22 мН; F2=22 мН;
F3=22 мН; F4=22 мН;
F5=22 мН; F6=22 мН;
F7=21 мН; F8=22 мН;
F=21,875 мН
Касторовое масло
F1=24 мН; F2=24 мН;
F3=25 мН; F4=24 мН;
F5=25 мН; F6=26 мН;
F7=24 мН; F8=26 мН;
F=24,75 мН
Машинное масло
F1=19 мН; F2=20 мН;
F3=25 мН; F4=25 мН;
F5=25 мН; F6=25 мН;
F7=21 мН; F8=25 мН;
F=23,125 мН
Анилин
F1=25 мН; F2=25 мН;
F3=25 мН; F4=25 мН;
F5=25 мН; F6=25 мН;
F7=25 мН; F8=25 мН;
F=25 мН
По формуле A=F/2 πd найдем коэффициент поверхностного натяжения у жидкостей.
Водопроводная вода: A=79,6 мН/м
Дистиллированная вода: A=78,9 мН/м
Спирт 90 %: A=25,8 мН/м
Виски 40 %: A=35,8 мН/м
Уксус 9 %: A=67 мН/м
Глицерин: A=73,5 мН/м
Солярка: A=31,4 мН/м
Касторовое масло: A=35,5 мН/м
Машинное масло: A=33 мН/м
Анилин: A=35,8 мН/м
Вывод: в ходе исследования были определены различия коэффициентов поверхностного натяжения следующих жидкостей: водопроводная вода, дистиллированная вода, спирт 90 %, виски 40 %, уксус 9 %, глицерин, солярка, касторовое масло, машинное масло, анилин. Данные различия существуют в связи с различием сил отрыва кольца от поверхности жидкостей. Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от плотности жидкости. Он зависит от молекулярного строения жидкости и от расстояния между молекулами.
Метод отрыва кольца достаточно прост, однако при его выполнении необходимо соблюдать ряд условий: 1. Кольцо должно быть плоским и полностью смачиваться жидкостью. 2. Плоскость кольца и поверхность жидкости должны быть строго параллельны. 3. Поверхность жидкости должна быть достаточно велика, чтобы исключить влияние мениска у стенки сосуда. 4. Недопустимо сотрясение прибора в ходе измерения.
Литература:
1. http://studopedia.net/
2. 2_8807_opredelenie-koeffitsienta-poverhnostnogo-natyazheniya-zhidkosti-metodom-otriva-kapel.html
3. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Б. Д. Сумм. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2007, с. 71.
