Молекулярная физика_5_2 - Уфимский государственный

1
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физики
ЖИДКОСТИ.
ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДНЫХ
РАСТВОРОВ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ
Учебно-методическое пособие к лабораторной работе
по молекулярной физике
5-2
УФА 2010
2
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех форм
обучения и содержит краткие сведения по теории и описание порядка
выполнения лабораторной работы по разделу “Молекулярная физика”.
Составители:
Гусманова Г.М., доц., канд.хим.наук
Шестакова Р.Г., доц., канд.хим.наук
Рецензент
Лейберт Б.М., доц., канд.техн.наук
 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2010
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5-2
«Зависимость коэффициента поверхностного натяжения водных
растворов от концентрации поверхностно-активных веществ»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследовать зависимость коэффициента поверхностного
натяжения водных растворов от концентрации этилового спирта.
ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: прибор Ребиндера, электроплитка,
водяной манометр, термометр.
ТЕОРИЯ
Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным
между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как
газообразных, так и твердых веществ. Жидкости, подобно твердым телам,
обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму
сосуда, в котором они находятся. Молекулы газа практически не связаны
между собой силами межмолекулярного взаимодействия, так как средняя
энергия теплового движения гораздо больше средней потенциальной
энергии, обусловленной силами притяжения между ними. В твердых и
жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и
удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом
случае средняя энергия теплового движения молекул меньше средней
потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного
взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между
молекулами, поэтому тела и жидкости имеют определенный объем.
Рентгеноструктурный анализ жидкостей показал, что характер
расположения частиц жидкости промежуточен между газом и твердым
телом. В газах молекулы движутся хаотично, поэтому нет никакой
закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел наблюдается
так называемый дальний порядок в расположении частиц, то есть их
упорядоченное расположение, повторяющееся на больших расстояниях. В
жидкостях имеет место так называемый ближний порядок в расположении
частиц, то есть их упорядоченное расположение, повторяющееся на
расстояниях, сравнимых с межатомными. По Я.И.Френкелю каждая
молекула жидкости в течение некоторого времени колеблется около
положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение,
отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного.
Рассмотрим, какие силы межмолекулярного притяжения действуют на
молекулу, находящуюся в глубине жидкости и на ее поверхности.
4
Рис.1. Молекулы на поверхности и в глубине жидкости
Равнодействующая всех сил межмолекулярного взаимодействия для
молекулы, находящейся в глубине на расстоянии нескольких своих
эффективных диаметров от поверхности жидкости, в среднем равна нулю
(рис.1). Молекулы поверхностного слоя жидкости, соприкасающейся с
другой средой, в отличие от молекул в глубине, окружены молекулами той
же жидкости не со всех сторон. Часть «соседей» - это молекулы среды,
граничащей с жидкостью, - насыщенный пар этой жидкости, другая
жидкость, твердое тело. Граничащая среда может отличаться как природой
частиц, так и плотностью и силами межмолекулярного взаимодействия.
Поэтому молекула на поверхности находится под действием силы, отличной
от нуля и направленной перпендикулярно поверхности раздела сред либо в
сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды.
Например, на границе с насыщенным собственным паром эта сила
направлена внутрь жидкости. При перемещении молекулы из
поверхностного слоя внутрь жидкости молекула совершает положительную
работу, поверхность сокращается, система переходит в состояние с
минимальной энергией. Наоборот, переход молекул из объема на
поверхность сопровождается отрицательной работой, то есть для увеличения
поверхности нужны затраты внешней энергии.
Работа изменения площади поверхности dA пропорциональна величине
этой поверхности dS:
dA =  dS,
где  - коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом
поверхностного натяжения жидкости на границе с данной средой, зависит
от природы контактирующих сред, температуры, концентрации примесей.
Коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе
изотермического изменения площади поверхности жидкости на единицу
 = dA/dS.
В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в
2
Дж/м или в Н/м.
Работа dA идет на увеличение потенциальной энергии dU молекул,
переходящих на поверхность жидкости
dA =  dU =  dS.
Та часть энергии системы, которая при данных условиях может быть
использована для преобразования в механическую работу, называется
5
свободной энергией. Это значит, что система не может совершить работу,
превышающую ее свободную энергию. Таким образом, избыточная
потенциальная энергия поверхности жидкости является свободной энергией
поверхности:
dA = – dF.
Итак, коэффициент поверхностного натяжения есть свободная
энергия единицы площади этой поверхности.
Любая система в равновесии имеет минимальное значение
потенциальной энергии, то есть жидкость в равновесии должна иметь
минимально возможную поверхность. Стремление к уменьшению
поверхности удобно описывать с помощью сил, действующих по
касательной к поверхности, сокращающих эту поверхность. Работа равна
скалярному произведению силы на перемещение dA = fdl, площадь
поверхности равна dS = xdl, поэтому коэффициент поверхностного
натяжения равен силе, действующей по касательной к поверхности
жидкости, на единицу длины линии, ограничивающей эту поверхность.
С увеличением температуры межмолекулярное взаимодействие
уменьшается, поэтому в индивидуальных жидкостях с ростом температуры
коэффициент поверхностного натяжения также уменьшается. При
критической температуре исчезает межфазная поверхность раздела
«жидкость – газ» и коэффициент поверхностного натяжения обращается в
нуль. Приближенно для температур, далеких от критической температуры,
зависимость  = f(t) можно представить в виде
 = 0(1– Δt),
(1)
где 0  коэффициент поверхностного натяжения при некоторой
температуре t0, Δt = t – t0,  температурный коэффициент поверхностного
натяжения,
 = (0 – )/0Δt.
(2)
Поверхностное натяжение есть проявление сил межмолекулярного
взаимодействия, поэтому оно зависит от концентрации примесей. Вещества,
уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения, называются
поверхностно-активными (сокращенно – ПАВ). Концентрация ПАВ в
поверхностном слое больше, чем во всей массе раствора. По отношению к
воде поверхностно-активными являются мыло, жиры, спирты, олеиновая
кислота и т.п. Наоборот, вещество, повышающее поверхностное натяжение,
концентрируется в массе раствора, так как теперь переход молекул
растворителя соответствует понижению поверхностного натяжения. Такие
вещества называются поверхностно-инактивными. Для воды – это
неорганические соли.
Таким образом, поверхностное натяжение в растворах зависит от
конкуренции сил межмолекулярного взаимодействия растворителя,
растворенного вещества и контактирующей среды. Величина изменения
коэффициента поверхностного натяжения при изменении концентрации с на
единицу называется поверхностной активностью G:
6
G = d/dс.
(3)
ОПИСАНИЕ МЕТОДА
Для
определения
коэффициента
поверхностного
натяжения
применяется метод Ребиндера, который основан на сравнении давления
воздуха в пузырьке с давлением стенок пузырька на окружающий воздух.
Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения
(рис.2) состоит:
из А – аспиратора, наполненного водой; В – измерительного сосуда с
испытуемой жидкостью; М – манометра; Т – капилляра; К1 , К 2 , К3 , К4 –
кранов; F – воронки.
Все
части
установки
соединены
резиновыми
шлангами.
Измерительный сосуд В выполнен в виде стеклянного цилиндра с двумя
отверстиями, закрывающимися с помощью кранов К1 , К2 . Боковая трубка,
оканчивающаяся небольшой воронкой F, предназначена для заполнения
сосуда исследуемой жидкостью.
Рис.2. Схема установки для определения поверхностного натяжения
жидкости на границе с газом
7
T
r
R
Рис.3. Зависимость радиуса кривизны воздушного пузырька на срезе
капилляра от величины избыточного давления
В сосуд В вставляется с помощью притертой крышки капилляр Т с
внутренним отверстием 0.5 – 0.7мм. Конец капилляра должен касаться
поверхности жидкости. Если открыть кран К3 аспиратора А, то вода начнет
вытекать из него. При этом давление над поверхностью воды в респираторе и
во всех соединенных с ним частях установки падает, становясь меньше
атмосферного, за счет чего на срезе капилляра Т создается избыточное
давление и начинает формироваться пузырек воздуха. По мере увеличения
разности давления в капилляре и над исследуемой жидкостью пузырек
воздуха растет, меняя форму и радиус кривизны. До тех пор, пока радиус
кривизны пузырька R больше радиуса трубки r, давление воздуха на его
стенки меньше или уравновешивается давление со стороны окружающей
жидкости.
Как только радиус кривизны R станет равным радиусу капилляра r,
давление в пузырьке достигнет максимального значения, а при дальнейшем
возрастании давления пузырек приходит в состояние устойчивого
равновесия, быстро расширяется и отрывается от капилляра. В течение этого
процесса давление жидкости в манометре М также, как в сосуде В,
возрастает до максимума, а затем быстро падает. Максимальная разность
уровней жидкости в коленах манометра h соответствует давлению в
пузырьке в момент его отрыва.
Регулируя скорость вытекания воды из сосуда А с помощью крана К3,
можно установить любую скорость формирования пузырька, приближая тем
самым режим измерения к статистическому. Оптимальной является такая
скорость вытеснения воды из аспиратора А, при которой пузырек
формируется за время не меньшее 1с.
Коэффициент поверхностного натяжения рассчитывается по формуле
Лапласа:
ΔР = (1/R1+1/R2) ,
где ΔР – избыточное давление под изогнутой поверхностью жидкости;
8
R1 и R2 – максимальный и минимальный радиус кривизны поверхности
жидкости.
Для сферической поверхности R1 = R2, тогда
ΔР = 2 /R,
откуда
 = RΔР/2.
Так как в опыте ΔР измеряется разностью уровней воды в манометре,
то
ΔР = gh.
Радиус кривизны пузырька R в момент достижения максимального
давления, равного атмосферному (то есть в момент проскакивания пузырька),
равен радиусу трубки r. Теперь коэффициент поверхностного натяжения
определяется по формуле
 = ghr/2.
Плотность жидкости , ускорение свободного падения g, радиус
капилляра r для данной установки и данной жидкости – величины
неизменные. Поэтому, взяв из табл.2. значение коэффициента
поверхностного натяжения 0 для дистиллированной воды при известной
начальной температуре и определив для нее показания манометра h0, можно
определять значение коэффициента поверхностного натяжения  любого
раствора при любой температуре по формуле
 = 0h/h0 .
(4)
Расчетные формулы:  = 0h/h0,  = (0–)/0Δt.
№
1
2
3
4
5
Таблица 1
Экспериментальные результаты для расчета коэффициента
поверхностного натяжения при разных концентрациях
Концентрация, Разность Коэффициент Относительная Абсолютная
%
уровней поверхностного погрешность погрешность
h, мм
натяжения ,
Δ/, %
Δ, мН/м
мН/м
10
20
30
40
50
Таблица 2
Справочные данные для определения 0
Зависимость поверхностного натяжения воды на границе с воздухом от
температуры
9
t, 0С 10
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
0 74,2 73,5 73,3 73,2 73,0 72,9 72,7 72,6 72,4 72,3 72,1 71,9
мН/м
26
71,6
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Налить в измерительный сосуд дистиллированную воду через воронку до
такого уровня, чтобы капилляр касался поверхности воды в сосуде.
2. Налить в аспиратор воды, закрыть его пробкой, убедиться в наличии
хорошего уплотнения, для чего при закрытых К1, К2, К4 выпустить из
аспиратора небольшую порцию воды и понаблюдать за положением
уровней жидкости в манометре: при проскакивании пузырька воздуха из
капилляра должен быть скачок жидкости в манометре.
3. Определить h0, соответствующее разности уровней жидкости в
манометре при начальной температуре, для этого надо открыть кран К3
аспиратора и найти расстояние между уровнями жидкости в манометре в
момент отрыва пузырька. Отсчет сделать не менее чем для 10 пузырьков,
и из них найти среднее значение h0. Пузырьки должны отрываться по
одному с интервалом 3-10 секунд. Записать в таблицу h0 и 0 при
начальной температуре.
4. Вылить дистиллированную воду из измерительного сосуда и налить
раствор этилового спирта определенной концентрации. Записать
соответствующее значение h в табл.1. Опыты сделать для растворов 5
концентраций.
5. По формуле (4) найти значение , соответствующее данному h, занести в
табл.1.
6. вычислить абсолютную ошибку в определении коэффициента
поверхностного натяжения для каждой концентрации.
7. По результатам табл.1 построить зависимость коэффициента
поверхностного натяжения воды от концентрации.
8. По отношению Δ к Δс определить поверхностную активность этилового
спирта в воде на границе с воздухом по формуле (3):
G= –Δ/Δс.
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
РАБОТЫ
1. Не касаться нагретой панели электронагревательного прибора руками.
2. При открывании притертых стеклянных кранов не прилагать излишние
усилия.
3. При обнаружении оголенных участков электропровода сообщить об этом
преподавателю или лаборанту.
10
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каковы особенности поверхностного слоя жидкости?
2. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости?
Каковы единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения?
3. Почему капля жидкости малого объема принимает сферическую форму?
4. Как зависит коэффициент поверхностного натяжения от концентрации,
температуры?
5. Как объяснить тот факт, что с увеличением температуры коэффициент
поверхностного натяжения уменьшается? Когда и почему коэффициент
поверхностного натяжения равен 0?
6. Уменьшится ли коэффициент поверхностного натяжения жидкости, если
ее поверхность будет граничить не с воздухом, а с жидкостью или
твердым телом?
7. Какие вещества называются поверхностно-активными и поверхностноинактивными?