Мета роботи

ПРОТОКОЛ

до лабораторної роботи №Т2-4

“ Дослідження коефіцієнта поверхневого натягу води та впливу на нього поверхневоактивних речовин”

з дисципліни “Загальна фізика”

студента групи

Бригада №

Дата виконання лабораторної роботи:

Відмітка про виконання лабораторної роботи:

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА Т2-4

Дослідження коефіцієнта поверхневого натягу води та впливу на нього поверхневоактивних речовин

Мета роботи

1.1 Виміряти коефіцієнт поверхневого натягу води.

1.2 Дослідити залежність коефіцієнта поверхневого натягу від концентрації поверхневоактивних речовин (ПАР).

2 Прилади і матеріали

2.1 Динамометр ДПН.

2.2 Штатив.

2.3 Пінцет.

2.4 Чашка ємністю 100 см³.

2.5 Піпетка.

2.6 Розчин із поверхневоактивною речовиною (ПАР).

3 Опис експериментальної установки та методу дослідження

Сили, що діють між молекулами, є короткодіючими. Вони зменшуються практично до нуля на відстані, що не перевищує 10 діаметрів молекули d. Отже, на кожну молекулу діють всі ін­ші молекули, які перебувають у межах сфери радіусом . Саме тому називають радіусом сфери молекулярної дії.

Розглянемо молекулу, яка перебуває у глибині рідини (див. рис. 7.1), тобто відстань від поверхні більша за радіус молекулярної дії . Навколо неї у сфері радіусом знаходяться інші молекули рідини. Завдяки сферичній симетрії розміщення молекул результуюча сила, що діє на молекулу у центрі такої сфери, дорівнює нулю.

Зовсім інша ситуація виникає, коли молекула перебуває на меншій за радіус дії молекулярних сил відстані від поверхні. Проведемо навколо неї сферу з радіусом (див. рис. 7.1). Ця сфера буде перетинати поверхню рідини. Тому вона буде лише частково заповнена її молекулами. Саме тому результуюча сила, що діє на молекулу в центрі такої сфери, не буде дорівнювати нулю. Вона буде перпендикулярною до поверхні і буде спрямована всередину рідини. Таким чином, молекули, що перебувають біля поверхні рідини на відстані, яка не перевищує радіус дії молекулярних сил , під дією молекулярних сил утягуються всередину рідини. Такі молекули здавлюють рідину з усіх боків, створюючи так званий внутрішній тиск. Як правило, внутрішній тиск у тисячі разів більший за зовнішній. Тому рідина практично не стискається.

Рисунок 7.1 – Молекула в глибині рідини (ліворуч) і в поверхневому шарі (праворуч), – радіус молекулярної дії

Через те, що молекули поверхневого шару втягуються вглиб рідини, поверхня прагне зменшитися подібно розтягнутій гумовій плівці. Розглянемо поверхню рідини, яка обмежена замкнутим контуром. Тенденція поверхні рідини до її зменшення приводить до того, що на контур діють сили, які перпендикулярні до нього і дотичні до поверхні рідини. Ці сили називають силами поверхневого натягу. Експериментально було з’ясовано, що сила поверхневого натягу прямо пропорційна довжині контуру :

, (7.1)

де – коефіцієнт пропорційності, що отримав назву коефіцієнта поверхневого натягу. Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від властивості рідини. Згідно з означенням коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини контуру.

Розглянемо дослід із збільшенням поверхні рідини. Для цього зануримо в рідину петлю, а потім її витягнемо, як це показано на рис. 7.2. Бачимо, що на петлю довжиною l діє сила поверхневого натягу (рис. 7.2). Згідно з формулою (7.2) ця сила

.

Множник 2 пов’язаний з тим, що у плівки є дві поверхні. Тобто довжина контуру дорівнює . Вимірявши силу та довжину петлі l, можна знайти коефіцієнт поверхневого натягу

. (7.2)

Цей експеримент можна використати для визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини.

Рисунок 7.2 – Схема досліду для вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу

 

Розглянемо процеси, які відбуваються у поверхневому шарі рідини, з енергетичної точки зору. При виході з глибини рідини на поверхню молекула виконує роботу проти молекулярних сил, що втягують її до середини рідини. Через це її потенціальна енергія в поверхневому шарі зростає. Отже, молекули, які розміщені біля поверхні рідини (у шарі з товщиною ), мають більшу енергію, ніж молекули, які знаходяться усередині рідини. Це означає, що для збільшення поверхні рідини на величину потрібно витратити додаткову енергію .

Обчислимо цю енергію. При витягуванні петлі з рідини на відстань (див. рис. 7.2) виконується робота, модуль якої дорівнює . При цьому створюється додаткова поверхня площею . Отже, одиниця поверхні має енергію

.

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює додатковій енергії одиниці поверхні рідини:

. (7.3)

Формули (7.1) та (7.3) використовують при розв’язанні багатьох наукових та практичних задач.

Після розчинення деяких речовин може виявитися, що сили зчеплення молекул розчиненої речовини з молекулами розчинника є слабшими за сили зчеплення між молекулами розчинника. У цьому випадку молекули розчиненої речовини "виштовхуються" на поверхню розчинника (цей процес енергетично вигідний та відбувається завдяки хаотичному руху молекул). Таким чином, молекули розчиненої речовини концентруються в основному поблизу поверхні рідини. Такі речовини називають поверхневоактивними (ПАР). Додавання ПАР у рідину зменшує коефіцієнт поверхневого натягу . Поверхневоактивними речовинами відносно води є жирні кислоти, їх спирти, ефіри та ін. Зокрема, мило і мильні порошки є поверхневоактивними речовинами.

Молекула жирної кислоти являє собою довгий ланцюжок, на одному кінці якого знаходиться гідрофільна група , що сильно взаємодіє з молекулами води, а на іншому – гідрофобна ("жирна") група , що взаємодіє з водою слабо. Тому такі молекули розміщуються так, щоб їх гідрофільні кінці знаходились у глибині води, а гідрофобні знаходились на поверхні води ззовні. Зі збільшенням вмісту жирної кислоти у воді на поверхні води утворюється кілька мономолекулярних шарів ПАР. Завдяки відносно великій довжині молекул жирних кислот, їх взаємодії між собою в'язкість у поверхневому шарі зростає, міцність поверхневої плівки підвищується. Наприклад, в'язкість тонких плівок мильної води є значно більшою за в'язкість чистої води. Цим пояснюється стійкість мильних бульбашок, а також стійкість мильної піни.

Рисунок 7.3 – Експериментальна установка для вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу: 1 – корпус динамометра; 2 ‑ стакан динамометра; 3 – пружина вимірювальна; 4 – стрілка; 5 – шкала; 6– петля; 7 – чашка з рідиною; 8 – підставка; 9 ‑ гвинт

ПАР широко застосовують у техніці й побуті. Зокрема, при пранні молекули ПАР завдяки гідрофільним групам притягуються до частинок бруду, а завдяки гідрофобним групам виносять їх на поверхню. Через утворення та стійкість піни розмір площі її поверхні виявляється набагато більшим за площу поверхні рідини, що сприяє пранню.

Схема експериментальної установки показана на рис. 7.3. Сутність вимірювань полягає у визначенні сили поверхневого натягу за допомогою пружинного динамометра ДПН.