лабораторная работа т– 9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Т– 9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА
ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ
РАСТВОРА С ПОМОЩЬЮ ТОРСИОННЫХ ВЕСОВ
ОБОРУДОВАНИЕ: торсионные весы, пластинка, набор стаканов
с растворами различных концентраций.
В работе требуется определить зависимость коэффициента поверхностного натяжения σ от концентрации С жидкостных растворов.
Сила поверхностного натяжения действует вдоль касательной к поверхностям всех жидкостей. Молекулы воды или другой жидкости, притягиваясь
друг к другу, стремятся сблизиться. Каждая молекула на поверхности притягивается остальными молекулами, находящимися внутри жидкости, и поэтому имеет тенденцию к погружению вглубь. Так как жидкость текуча из-за
перескоков молекул из одного "оседлого" положения в другое, то она стремится принимать такую форму, при которой число молекул на поверхности
минимально. Площадь поверхности жидкости сокращается, и воспринимается
это как поверхностное натяжение. Минимальную поверхность при данном
объеме имеет шар. Поэтому в невесомости жидкость принимает шарообразную форму.
Силой поверхностного натяжения называют силу, действующую вдоль
поверхности жидкости перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность, и стремящуюся сократить ее до минимума.

Сила поверхностного натяжения F прямо пропорциональна длине l поверхностного слоя жидкости, так как на всех участках поверхностного слоя
жидкости молекулы находятся в одинаковых условиях.
Отношение модуля F силы поверхностного натяжения, действу ющей на границу поверхностного слоя длиной l, к этой длине есть величина постоянная, не зависящая от длины l. Эту величину называют коэффициентом поверхностного натяжения и обозначают буквой σ:
F
.
l
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы граничащих
сред и от температуры. Его выражают в ньютонах на метр (Н/м).
Поверхностное натяжение жидкостных растворов отличается от поверхσ
1
ностного натяжения растворителя при тех же условиях. Это связано с тем, что
в поверхностном слое находятся как молекулы растворителя, так и молекулы
растворенного вещества. В этом случае работа, затрачиваемая на вывод из
поверхностного слоя молекул растворенного вещества и растворителя, неодинакова. Поэтому поверхностное натяжение растворов  занимает промежуточное положение между коэффициентами поверхностного натяжения растворителя и растворенного вещества.
Когда коэффициент поверхностного натяжения растворителя 1 меньше,
чем растворенного вещества 2, то 1 <  < 2.
Когда же 2 < 1, то 2<  < 1.
Погрузим в жидкость пластинку. Угол φ между вертикальной поверхностью пластинки и плоскостью, касательной к поверхности жидкости на границе с телом, называется краевым углом.
Форма поверхности жидкости, соприкасающейся с твердым телом,
зависит от того, какие силы притяжения больше: между молекулами
жидкости и твердого тела или между молекулами самой жидкости.
В первом случае жидкость будет смачивающей и ее форма у стенки сосуда такой (рис. 1), что угол φ между плоскостью, касательной к поверхности
жидкости, и стенкой острый (жидкость прилипает к стенке). Во втором случае жидкость не смачивает твердую поверхность и угол φ (рис. 2) тупой
(жидкость отходит от стенки).
φ
φ
Рис. 1
Рис. 2
Для того, чтобы пластинку оторвать от поверхности жидкости, нужно
приложить силу, равную:
F1  P  F ,
где Р – вес пластинки, F  2σ(a  b) cos φ – сила поверхностного натяжения,
действующая по всему периметру пластинки l = 2(а + b),
а и b – длина и ширина прямоугольной пластины.
2
Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения определяется по
формуле:
σ
F1  P
2(a  b) cos φ
(1)
Если смачивание полное, то φ = 0 и формула (1) принимает более простой вид:
F P
σ 1
.
2( a  b )
В данной работе пластинка представляет собой алюминиевое кольцо,
следовательно в качестве a и b можно брать длины окружностей внешней
и внутренней поверхностей кольца, тогда расчетная формула примет вид:
σ
F1  P
F1  P

2π(r1  r2 ) π(d1  d 2 )
(2)
где d1 = 8,8·10-3 м и d2 = 7,8·10-3 м – соответственно внешний и внутренний
диаметр кольца.
В данной работе F1 и P определяются с помощью крутильных микровесов, называемых торсионными, пределы измерений которых 0–500 мг. Удобнее определить коэффициент поверхностного натяжения чистой воды, и полученное значение использовать для последующих растворов.
σ H 2O 
FH 2O  P
π(d1  d 2 )  cos φ1
,
σx 
Fx  P
,
π(d1  d 2 )  cos φ 2
где φ1 – краевой угол между чистой водой и алюминием; φ2 – краевой угол
между раствором и алюминием.
Отсюда:
σx 
Fx  P cos φ1
FH O  Pcos φ 2  σ H O .
(3)
2
2
Так как углы φ1 и φ2 малы, то последнее выражение (3) можно записать
в виде:
σx 
( Fx  P)
σH O .
( FH 2O  P) 2
(4)
Таким образом, определение коэффициента поверхностного нат яжения сводится к измерению силы, нужной для отрыва пластинки соо тветственно от воды и от исследуемой жидкости и преодоления силы
тяжести пластинки. В большинстве случаев на поверхности пластинки
3
остается небольшая капелька жидкости, удерживаемая силами повер хностного натяжения, поэтому под P следует понимать вес пластинки
с капелькой жидкости. Очевидно, вес этих капелек для различных жи дкостей различен. Поэтому для определения коэффициента повер хностного натяжения следует пользоваться формулой:
σx 
Fx  Px 
FH O  PH O   σ H O ,
(5)
2
2
2
где Px – вес пластинки с капелькой жидкости, PH 2O – вес пластинки с капелькой воды.
В данной работе величины Fx , Px , FH2O , PH 2O измеряются с помощью
торсионных весов.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТОРСИОННЫХ ВЕСОВ
Основным элементом торсионных весов является плоская спиральная пружина, которая с помощью рычага 8 закручивается под действием
взвешиваемого предмета. При этом указатель 4 сместится в сторону от
положения равновесия. Весы можно вновь уравновесить рычагом 6 ,
возвратив пружину в первоначальное положение. При этом стрелка 5,
жестко скрепленная с рычагом 6, смещается и показывает вес груза.
Точность весов равна 1 мг.
Уровень в чашке с раствором держать постоянным.
6
7
8
9
3
4
10
5
2
1
Рис. 3. Торсионные весы
4
ЗАДАНИЕ И ОТЧЕТНОСТЬ
1. Установите весы по уровню 1 с помощью винтов 2.
2. Посредством арретира 3 освободите коромысло весов 8.
3. Откройте крышку весов и подвесьте на крючок 9 пластинку. Уравновесьте весы, для этого установите стрелку 5 на 0 и, вращая корректор 10,
совместите указатель 4 с вертикальной чертой на шкале.
4. Подставьте стакан и осторожно наливайте дистиллированную воду до
тех пор, пока она не коснется поверхности пластинки.
5. Медленно передвиньте рычаг 6 до момента отрыва пластинки от поверхности жидкости . Измерения повторите 5 раз и найдите среднее значение.
6. Уберите стакан и определите вес мокрой пластинки PH 2O . Затем высушите пластинку фильтрованной бумагой.
7. Повторите измерения для всех исследуемых растворов известных концентраций.
8. Вычислите коэффициент поверхностного натяжения по формуле (5).
9. Постройте график зависимости коэффициента поверхностного натяжения σ от концентрации растворов C:
100% спирт,
75% спирт,
50% спирт,
25% спирт,
100% вода.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? В каких
единицах измеряется?
2. Почему жидкости при данном объеме стремятся принять минимальную
поверхность?
3. Почему коэффициент поверхностного натяжения зависит от концентрации растворов? Почему эта зависимость отличается от линейной?
4. Что называется краевым углом? Какова его величина для полностью
смачиваемых поверхностей, для несмачиваемых поверхностей?
РАСЧЕТЫ И ВЫВОДЫ
5