Ce determină tensiunea superficială a unui lichid? Convertor de tensiune de suprafață

Forțele atractive dintre moleculele de pe suprafața unui lichid le împiedică să se deplaseze dincolo de acesta.

Moleculele unui lichid experimentează forțe de atracție reciprocă - de fapt, tocmai din această cauză lichidul nu se evaporă instantaneu. Forțele atractive ale altor molecule acționează asupra moleculelor din interiorul lichidului din toate părțile și, prin urmare, se echilibrează reciproc. Moleculele de pe suprafața unui lichid nu au vecini din exterior, iar forța de atracție rezultată este direcționată în interiorul lichidului. Ca urmare, întreaga suprafață a apei tinde să se contracte sub influența acestor forțe. Împreună, acest efect duce la formarea așa-numitei forțe de tensiune superficială, care acționează de-a lungul suprafeței lichidului și duce la formarea unui fel de peliculă invizibilă, subțire și elastică pe acesta.

O consecință a efectului tensiunii superficiale este că, pentru a crește aria suprafeței unui lichid - întinderea acestuia - trebuie efectuată o muncă mecanică pentru a depăși forțele de tensiune superficială. Prin urmare, dacă lichidul este lăsat singur, acesta tinde să ia o formă în care suprafața sa este minimă. Această formă, desigur, este o sferă – motiv pentru care picăturile de ploaie în zbor capătă o formă aproape sferică (spun „aproape” pentru că picăturile sunt ușor alungite în zbor din cauza rezistenței aerului). Din același motiv, picăturile de apă de pe caroseria unei mașini acoperite cu ceară proaspătă se adună în margele.

Forțele de tensiune superficială sunt utilizate în industrie - în special, în turnarea formelor sferice, cum ar fi împușcătura de pușcă. Picăturile de metal topit sunt lăsate pur și simplu să se solidifice în zbor atunci când cad de la o înălțime suficientă pentru a face acest lucru și se solidifică în bile înainte de a cădea într-un recipient de primire.

Există multe exemple de forțe de tensiune superficială în acțiune din viața noastră de zi cu zi. Sub influența vântului, pe suprafața oceanelor, mărilor și lacurilor se formează ondulații, iar aceste ondulații sunt valuri în care forța ascendentă a presiunii interne a apei este echilibrată de forța descendentă a tensiunii superficiale. Aceste două forțe alternează și se formează ondulații pe apă, la fel cum se formează un val în coarda unui instrument muzical datorită întinderii și compresiei alternative.

Dacă lichidul se va colecta în „sperge” sau se va răspândi uniform pe o suprafață solidă, depinde de raportul dintre forțele interacțiunii intermoleculare din lichid, care provoacă tensiunea superficială, și de forțele de atracție dintre moleculele lichidului și suprafața solidă. În apa lichidă, de exemplu, forțele de tensiune superficială se datorează legăturilor de hidrogen dintre molecule ( cm. legături chimice). Suprafața sticlei este umezită de apă, deoarece sticla conține un număr suficient de mare de atomi de oxigen, iar apa formează cu ușurință legături de hidrogen nu numai cu alte molecule de apă, ci și cu atomii de oxigen. Dacă se aplică grăsime pe suprafața sticlei, legăturile de hidrogen nu se vor forma cu suprafața, iar apa se va colecta în picături sub influența legăturilor interne de hidrogen, care determină tensiunea superficială.

În industria chimică, agenții de umectare speciali sunt adesea adăugați în apă - surfactanți, - împiedicând colectarea apei în picături pe orice suprafață. Se adaugă, de exemplu, la detergenții lichizi pentru mașini de spălat vase. Intrând în stratul de suprafață de apă, moleculele unor astfel de reactivi slăbesc considerabil forțele de tensiune superficială, apa nu se adună în picături și nu lasă pete murdare pe suprafață după uscare ( cm.

Picurare, picurare... Iată o altă picătură adunată pe gura robinetului, s-a umflat și a căzut. Această imagine este familiară oricui. Sau o ploaie caldă de vară udă pământul tânjind după umiditate - și din nou pica. De ce picături? Care este motivul aici? Este foarte simplu: motivul pentru aceasta este tensiunea superficială a apei.

Este una dintre proprietățile apei sau, mai general, ale tuturor lichidelor. După cum știți, gazul umple întregul volum în care intră, dar lichidul nu poate face acest lucru. Moleculele din interiorul volumului de apă sunt înconjurate de aceleași molecule pe toate părțile. Dar cele de la suprafață, la granița dintre lichid și gaz, nu sunt afectate din toate părțile, ci doar din acele molecule care se află în interiorul volumului, din partea gazului nu sunt afectate.

În acest caz, pe suprafața lichidului va acționa o forță, îndreptată de-a lungul acestuia perpendicular pe partea suprafeței pe care acționează. Ca urmare a acestei forțe, apare tensiunea superficială a apei. Manifestarea sa externă va fi formarea unui fel de peliculă elastică invizibilă la interfață. Datorită efectului tensiunii superficiale, o picătură de apă va lua forma unei sfere ca un corp având cea mai mică suprafață pentru un volum dat.

Acum putem defini că tensiunea superficială este munca de schimbare a suprafeței lichidului. Pe de altă parte, poate fi definită ca energia necesară pentru a sparge o suprafață unitară. Tensiunea superficială este posibilă la interfața dintre lichid și gaz. Este determinată de forța care acționează între molecule și, prin urmare, responsabilă de volatilitate (evaporare). Cu cât tensiunea superficială este mai mică, cu atât lichidul va fi mai volatil.

Puteți determina ceea ce este egal cu. Formula pentru calculul acesteia include aria suprafeței și După cum am menționat mai devreme, coeficientul nu depinde de forma și dimensiunea suprafeței, ci este determinat de puterea interacțiunii intermoleculare, adică. tip lichid. Pentru diferite lichide, valoarea sa va fi diferită.

Tensiunea superficială a apei poate fi modificată. Acest lucru se realizează prin încălzire, adăugând substanțe biologic active - cum ar fi săpun, pulbere, pastă. Valoarea sa depinde de gradul de puritate al apei. Cu cât apa este mai pură, cu atât tensiunea superficială este mai mare, iar ca valoare este a doua după mercur.

Un efect curios se observă atunci când un lichid intră în contact atât cu un solid, cât și cu un gaz. Dacă punem o picătură de apă pe suprafața parafinei, aceasta va lua forma unei mingi. Acest lucru se datorează faptului că forțele care acționează între parafină și picătură sunt mai mici decât interacțiunea dintre ele, în urma căreia apare mingea. Când forțele care acționează între suprafață și picătură sunt mai mari decât forțele interacțiunii intermoleculare, apa se va răspândi uniform pe suprafață. Acest fenomen se numește umezire.

Efectul de umectare într-o oarecare măsură poate caracteriza gradul de curățenie a suprafeței. Pe o suprafață curată, picătura se răspândește uniform, iar dacă suprafața este contaminată sau acoperită cu o substanță care nu este umezită de apă, atunci aceasta din urmă se adună în bile.

Un exemplu de utilizare a tensiunii superficiale în industrie este turnarea pieselor sferice, cum ar fi împușcătura de pușcă. Picăturile de metal topit pur și simplu se solidifică din mers, luând o formă sferică.

Tensiunea superficială a apei, ca orice alt lichid, este unul dintre parametrii săi importanți. Determină unele caracteristici ale lichidului - cum ar fi volatilitatea (volatilitatea) și umectarea. Valoarea sa depinde numai de parametrii interacțiunii intermoleculare.

Textul lucrării este plasat fără imagini și formule.
Versiunea completă a lucrării este disponibilă în fila „Fișiere de locuri de muncă” în format PDF

Introducere

În lumea din jurul nostru, alături de gravitație, elasticitate și frecare, există o altă forță căreia de obicei nu acordăm atenție. Această forță acționează de-a lungul tangentei la suprafețele tuturor lichidelor. Forța care acționează de-a lungul suprafeței lichidului perpendicular pe linia care limitează această suprafață, tinde să o reducă la minim, se numește forța de tensiune superficială. Este relativ mic, acțiunea sa nu provoacă niciodată efecte puternice. Cu toate acestea, nu putem turna apă într-un pahar, nu putem face nimic cu niciun lichid fără să punem în joc forțele de tensiune superficială. Suntem atât de obișnuiți cu efectele numite tensiune superficială încât nu le observăm. Surprinzător de diverse sunt manifestările tensiunii superficiale a unui lichid în natură și tehnologie. Ele joacă un rol important în natură și în viața noastră. Fără ele, nu am putea scrie cu pixuri cu heliu, imprimantele cu cartuș ar pune imediat o pată mare, golindu-și întreg rezervorul. Ar fi imposibil să vă săpunați mâinile - spuma nu s-ar forma. O ploaie uşoară ne-ar fi înmuiat, iar curcubeul nu ar fi fost vizibil pe orice vreme. Tensiunea de suprafață colectează apa în picături și datorită tensiunii superficiale, un balon de săpun poate fi suflat. Folosind regula profesorului belgian Platon pentru ca cercetătorii să fie surprinși în timp, vom lua în considerare experimente neobișnuite în lucrare.

Scopul lucrării: verificarea experimentală a manifestărilor tensiunii superficiale a unui lichid, determinarea coeficientului de tensiune superficială a lichidelor prin metoda de separare a picăturilor

Studiază literatură educațională, populară științifică, folosește materiale de pe Internet pe tema „Tensiune superficială”;

faceți experimente care să demonstreze că forma adecvată a unui lichid este o minge;

efectuați experimente cu scăderea și creșterea tensiunii superficiale;

pentru a proiecta și a asambla o instalație experimentală cu care să se determine coeficientul de tensiune superficială al unor lichide prin metoda de separare a picăturilor.

procesează datele primite și trage o concluzie.

Obiectul de studiu: lichide.

Parte principală. Tensiune de suprafata

Fig 1. G. Galileo

Numeroase observații și experimente arată că un lichid poate lua o astfel de formă în care suprafața sa liberă are cea mai mică suprafață. În tendința sa de a se micșora, pelicula de suprafață ar sfericiza lichidul dacă nu ar fi atracția către Pământ. Cu cât căderea este mai mică, cu atât este mai mare rolul jucat de forțele de tensiune superficială. Prin urmare, micile picături de rouă pe frunzele copacilor, pe iarbă au o formă apropiată de minge; în cădere liberă, picăturile de ploaie sunt aproape strict sferice. Tendința lichidului de a se micșora la minimum posibil poate fi observată în multe fenomene care par surprinzătoare. Chiar și Galileo s-a gândit la întrebarea: de ce picăturile de rouă pe care le-a văzut dimineața pe frunzele de varză capătă o formă sferică? Afirmația conform căreia un lichid nu are formă proprie se dovedește a nu fi complet exactă. Forma adecvată a unui lichid este o sferă, ca formă cea mai încăpătoare. Moleculele unei substanțe în stare lichidă sunt situate aproape una de alta. Spre deosebire de corpurile cristaline solide, în care moleculele formează structuri ordonate pe tot volumul cristalului și pot efectua vibrații termice în jurul centrelor fixe, moleculele lichide au o libertate mai mare. Fiecare moleculă a unui lichid, precum și într-un corp solid, este „prinsă” pe toate părțile de moleculele învecinate și efectuează vibrații termice în jurul unei anumite poziții de echilibru. Cu toate acestea, din când în când, orice moleculă se poate muta într-un loc liber adiacent. Astfel de salturi de lichide apar destul de frecvent; prin urmare, moleculele nu sunt legate de anumiți centri, ca în cristale, și se pot mișca pe întregul volum al lichidului. Aceasta explică fluiditatea lichidelor. Datorită interacțiunii puternice dintre moleculele apropiate, acestea pot forma grupări ordonate locale (instabile) care conțin mai multe molecule. 1

Figura 2. Un exemplu de ordine de rază scurtă a moleculelor lichide și de ordine de rază lungă a moleculelor unei substanțe cristaline: 1 - apă; 2 - gheață

Și cum se poate explica contracția spontană a suprafeței unui lichid? Moleculele de la suprafața și în profunzimea lichidului se află în condiții diferite. Fiecare moleculă din interiorul lichidului este afectată de forțele atractive ale moleculelor vecine care o înconjoară din toate părțile. Rezultanta acestor forțe este zero. Deasupra suprafeței lichidului există vapori, a căror densitate este de multe ori mai mică decât densitatea lichidului, iar interacțiunea moleculelor de vapori cu moleculele de lichid poate fi neglijată. Moleculele care se află la suprafața lichidului sunt atrase doar de moleculele care se află în interiorul lichidului. Sub influența acestor forțe, moleculele stratului de suprafață sunt atrase spre interior, numărul de molecule de pe suprafață scade, iar aria suprafeței scade. Dar nu toate moleculele pot trece de la suprafață în lichid, acest lucru fiind împiedicat de forțele de respingere care apar atunci când distanțele dintre molecule scad. La anumite distanțe dintre moleculele trase spre interior și moleculele de sub suprafață, forțele de interacțiune devin egale cu zero, iar procesul de contracție a suprafeței se oprește. Numărul de molecule rămase pe suprafață este astfel încât aria sa este minimă pentru un anumit volum de lichid. Deoarece lichidul este fluid, acesta ia o formă în care numărul de molecule de pe suprafață este minim, iar mingea are suprafața minimă pentru un volum dat, adică o picătură de lichid ia o formă apropiată de sferică.Cea mai ușoară cale a prinde natura forțelor de tensiune superficială înseamnă a observa formarea unei picături. Priviți cu atenție cum picătura crește treptat, se formează o îngustare - un gât - și picătura se desprinde. Nu este nevoie de multă imaginație pentru a-ți imagina că apa este, parcă, închisă într-o pungă elastică, iar această pungă se rupe atunci când greutatea își depășește rezistența. În realitate, desigur, în picătură nu există altceva decât apă, dar stratul de apă de la suprafață în sine se comportă ca o peliculă elastică întinsă. Filmul unui balon de săpun face aceeași impresie.

Experiența #1

Frecarea unui lichid la un minim de energie potențială poate fi observată folosind bule de săpun. Filmul de săpun este un strat de suprafață dublu. Dacă suflați un balon de săpun și apoi opriți umflarea, acesta va începe să scadă în volum, storcând un curent de aer.

Tensiune superficială - fenomenul presiunii moleculare asupra unui lichid, cauzat de atracția moleculelor din stratul de suprafață către moleculele din interiorul lichidului 5

Experiența platoului (1849)

Orez. 4. J. Platoul

Tabanul care l-a determinat pe profesorul belgian să experimenteze a fost întâmplarea. El a turnat din greșeală o cantitate mică de ulei într-un amestec de alcool și apă și a luat forma unei mingi. Reflectând la acest fapt, Platon a schițat o serie de experimente, care au fost ulterior realizate cu brio de prietenii și studenții săi. În jurnalul său, el a scris o regulă pentru cercetători: „Fii surprins în timp”. Am decis să explorez experimentul Plateau, dar într-o versiune diferită: să folosesc ulei de floarea soarelui și apă cu mangan colorată în experiment.

Un experiment care demonstrează că un lichid omogen ia o formă cu o suprafață liberă minimă

Opțiunea #2 pentru experiența platoului

1) Turnați ulei de floarea soarelui într-un pahar.

2) Cu o picătură, o picătură de apă colorată cu mangan cu un diametru de aproximativ 5 mm a fost picurată în ulei de floarea soarelui.

) S-au observat bile de apă de diferite dimensiuni, căzând încet pe fund și luând o formă ovală turtită (Foto 2).

5) Observați cum picătura ia forma corectă a mingii (Foto 2).

Concluzie: Lichidul, prin atragerea moleculelor stratului superficial, se comprimă singur. Forma ovală aplatizată se explică prin faptul că greutatea unei picături care nu se amestecă cu ulei este mai mare decât forța de flotabilitate. Forma corectă a mingii se explică prin faptul că picătura plutește în interiorul uleiului: greutatea picăturii este echilibrată de forța de flotabilitate.

În cădere liberă, în stare de imponderabilitate, picăturile de ploaie au practic forma unei mingi. Într-o navă spațială, o masă destul de mare de fluid capătă și o formă sferică.

Coeficientul de tensiune superficială

În absența unei forțe externe, o forță de tensiune superficială acționează de-a lungul suprafeței lichidului, ceea ce reduce suprafața filmului la minimum. Forța de tensiune superficială - o forță îndreptată tangențial la suprafața lichidului, perpendicular pe secțiunea conturului care delimitează suprafața, în direcția contracției acestuia.

Ơ - coeficientul tensiunii superficiale - acesta este raportul dintre modulul F al forței de tensiune superficială care acționează la limita stratului de suprafață ℓ și această lungime este o valoare constantă, independentă de lungimea ℓ. Coeficientul de tensiune superficială depinde de natura mediilor adiacente și de temperatură. Se exprimă în newtoni pe metru (N/m).

Experimente cu scăderea și creșterea

Fotografie 3

Experiența #3

Atingeți centrul suprafeței apei cu o bucată de săpun.

Piesele de spumă încep să se deplaseze din centru spre marginile vasului (Foto 3).

Au picurat benzină, alcool, detergent în centrul vasului Zana.

Concluzie: Tensiunea superficială a acestor substanțe este mai mică decât cea a apei.

Aceste substante sunt folosite pentru a indeparta murdaria, petele grase, funinginea, de ex. substanțe insolubile în apă.Din cauza tensiunii superficiale destul de ridicate, apa nu are un efect de curățare foarte bun singură. De exemplu, atunci când intră în contact cu o pată, moleculele de apă sunt atrase unele de altele mai mult decât de particulele de murdărie insolubilă.Săpunurile și detergenții sintetici (SMC) conțin substanțe care reduc tensiunea superficială a apei. Primul săpun, cel mai simplu detergent, a fost făcut în Orientul Mijlociu în urmă cu peste 5.000 de ani. La început, a fost folosit în principal pentru spălarea și tratarea ulcerelor și rănilor. Și abia în secolul I d.Hr. bărbatul a început să se spele cu săpun.

La începutul secolului I s-a născut săpunul.

Un bărbat a fost salvat de murdărie și a devenit curat de mic.

Vă povestesc despre săpunul care a născut curând: șampon, gel, pudră.

Lumea a devenit curată, ce bună!

Figura 5. F. Günther

Detergenții sunt substanțe naturale și sintetice cu efect de curățare, în special săpunurile și prafurile de spălat, utilizate în viața de zi cu zi, industrie și sectorul serviciilor. Săpunul este obținut ca urmare a interacțiunii chimice dintre grăsimi și alcalii. Cel mai probabil, a fost descoperit din pură întâmplare, când carnea a fost prăjită la foc, iar grăsimea s-a scurs pe cenușă, care are proprietăți alcaline. Producția de săpun are o istorie lungă, dar primul detergent sintetic (SMC) a apărut în 1916, a fost inventat de un chimist german Fritz Güntherîn scopuri industriale. SMS-urile de uz casnic, mai mult sau mai puțin inofensive pentru mâini, au început să fie produse în 1933. De atunci, o serie de detergenți sintetici (SMC) au fost dezvoltați în scopuri restrânse, iar producția lor a devenit o ramură importantă a industriei chimice.

Din cauza tensiunii superficiale, apa nu are un efect suficient de curățare singură. Atunci când intră în contact cu pata, moleculele de apă sunt atrase unele de altele în loc să prindă particule de murdărie, cu alte cuvinte, nu udă murdăria.

Săpunurile și detergenții sintetici conțin substanțe care măresc proprietățile de umectare ale apei prin reducerea tensiunii superficiale. Aceste substante se numesc agenti activi de suprafata (surfactanti) deoarece actioneaza la suprafata lichidului.

Acum, producția de SMS a devenit o ramură importantă a industriei chimice. Aceste substanțe sunt numite surfactant(agenti tensioactivi), deoarece acţionează la suprafaţa lichidului. Moleculele de surfactant pot fi reprezentate ca mormoloci. Cu capul „se agață” de apă, iar cu „cozile” de grăsime. Când agenții tensioactivi sunt amestecați cu apă, moleculele lor de la suprafață sunt întoarse „capete” în jos și „cozile” în afară. Zdrobind suprafața apei în acest fel, aceste molecule reduc foarte mult efectul tensiunii superficiale, ajutând astfel apa să pătrundă în țesut. Cu aceleași „cozi” de molecule de surfactant (Fig. 6) captează moleculele de grăsime care le întâlnesc. 2

Experiența nr. 4

1. Turnați laptele într-o farfurie astfel încât să acopere fundul (Foto 4)

2. S-au picat 2 picaturi de verde stralucitor pe suprafata laptelui

3. Am observat cum verdele strălucitor a fost „dus” din centru spre margini. Două picături de verde strălucitor acoperă cea mai mare parte a suprafeței laptelui! (Foto 5)

Concluzie: tensiunea superficială a verdelui strălucitor este mult mai mică decât cea a laptelui.

4. Lichidul de spălat vase Fairy a fost scăpat pe suprafața verdelui strălucitor, am văzut cum acest lichid s-a răspândit pe toată suprafața (Foto 6)

Concluzie: tensiunea superficială a detergentului este mai mică decât verdele strălucitor.

Experiența nr. 5

Apa a fost turnată într-un vas mare de sticlă.

Bucăți de polistiren au fost aruncate la suprafață.

Atins centrul suprafeței apei cu o bucată de zahăr.

Vricile de polistiren încep să se deplaseze de la marginile vasului spre centru (Foto 7).

Concluzie: Tensiunea superficială a unei soluții apoase de zahăr este mai mare decât cea a apei pure.

Experiența nr. 6

Îndepărtarea petelor de grăsime de pe suprafața țesutului

Am umezit o vată cu benzină și am umezit marginile petei (și nu petei în sine) cu această vată. Benzina reduce tensiunea superficială, astfel că grăsimea este adunată în centrul petelor și de acolo poate fi îndepărtată, dacă aceeași vată este umezită, pata în sine poate crește în dimensiune datorită scăderii tensiunii superficiale.

Pentru a determina experimental valoarea tensiunii superficiale a unui lichid, se poate folosi procesul de formare și desprindere a picăturilor care curg dintr-un picurător.

Scurtă teorie a metodei de separare a picăturilor

Un volum mic de lichid însuși capătă o formă apropiată de o sferă, deoarece datorită masei mici a lichidului, forța gravitațională care acționează asupra acestuia este de asemenea mică. Aceasta explică forma sferică a picăturilor mici de lichid. Figura 1 prezintă fotografii care prezintă diferite etape ale procesului de formare și detașare a picăturilor. Fotografia a fost făcută folosind filmări de mare viteză, scăderea crește încet, putem presupune că în fiecare moment de timp este în echilibru. Tensiunea de suprafață face ca suprafața picăturii să se micșoreze, tinde să dea picăturii o formă sferică. Gravitația forțează centrul de greutate al picăturii cât mai jos posibil. Ca urmare, picătura este alungită (Fig. 7a).

Orez. 7. a B C D

Procesul de formare și detașare a picăturilor

Cu cât picătura este mai mare, cu atât este mai mare rolul jucat de energia potențială a gravitației. Pe măsură ce picătura crește, masa principală este colectată în partea de jos și se formează un gât lângă picătură (Fig. 7b). Forța de tensiune superficială este direcționată vertical tangențial la gât și echilibrează forța gravitațională care acționează asupra picăturii. Acum este suficient ca o picătură să crească destul de mult și forțele de tensiune superficială nu mai echilibrează forța gravitației. Gâtul picăturii se îngustează rapid (Fig. 7c) și ca urmare picătura se rupe (Fig. 7d).

Metoda de măsurare a coeficientului de tensiune superficială al unor lichide se bazează pe cântărirea picăturilor. În cazul unui flux lent de lichid dintr-o gaură mică, dimensiunea picăturilor formate depinde de densitatea lichidului, de coeficientul de tensiune superficială, de dimensiunea și forma găurii și, de asemenea, de viteza de scurgere. . Cu o curgere lentă a lichidului de umectare dintr-un tub cilindric vertical, picătura rezultată are forma prezentată în Figura 8. Raza r a gâtului picăturii este legată de raza exterioară a tubului R prin relația r = kR (1 )

unde k este un coeficient în funcție de dimensiunile tubului și de debitul.

Momentul separării, greutatea picăturii trebuie să fie egală cu rezultanta forțelor de tensiune superficială care acționează pe o lungime egală cu lungimea conturului gâtului în partea sa cea mai îngustă. Astfel, se poate scrie

Mg = 2πrơ (2)

Înlocuind raza gâtului r din egalitatea (1) și rezolvând-o, obținem

Ơ=mg/2πkR (3)

Pentru a determina masa unei picături, un număr n de picături sunt cântărite într-un pahar cu greutate cunoscută. Dacă masa paharului fără picături și cu picături este M 0, respectiv M, atunci masa unei picături

Înlocuind ultima expresie în formula (3) și introducându-i diametrul d în loc de raza tubului, obținem formula de calcul

ơ = ((M-M0)g)/πkdn 3 (4)

Lucrare de cercetare „Determinarea coeficientului de tensiune superficială a unor lichide prin metoda separării picăturilor”

Scopul studiului: să se determine coeficientul de tensiune superficială a unui lichid prin metoda desprinderii picăturilor unor lichide. Dispozitive: instalatie de masurare a coeficientului de tensiune superficiala, cantar, greutate, cupa, etrier, cronometru. materiale: detergenți: „Fairy”, „Aos”, lapte, alcool, benzină, soluții pulbere: „Mit”, „Persil”, șampoane Frutis, « Pantene», "Schauma"Și " fructe», geluri de dus Sensen», "Montpensier"Și " Descoperi».

Descrierea dispozitivului.

Pentru determinarea coeficientului de tensiune superficială s-a montat un set-up format dintr-un trepied, pe care a fost instalată o biuretă cu lichidul studiat. La capătul biuretei s-a fixat un vârf-tub, la capătul căruia se formează o picătură. Picăturile au fost cântărite într-un pahar special.

Progresul cercetării

Folosind un șubler, diametrul tubului vârf a fost măsurat de trei ori și a fost calculată valoarea medie a lui d.

Un pahar curat, uscat (M 0) a fost cântărit pe o balanță.

Cu ajutorul unui robinet de biuretă am atins viteza de picurare

15 picături pe minut.

60 de picături de lichid au fost turnate din biuretă într-un pahar, numărându-se exact numărul de picături turnate.

Am cântărit un pahar de lichid. (M)

S-au înlocuit valorile obținute în formula ơ = ((M-M0)g)/πkdn

Calculați coeficientul de tensiune superficială.

A încercat de trei ori

Calculați valoarea medie a coeficientului de tensiune superficială.

Coeficientul de tensiune superficială în sistemul SI este măsurat în N/m.

Tabelul 1

Rezultatele determinării coeficientului de tensiune superficială (N/m)

Concluzie: Dintre detergenții de bucătărie studiați, cu toți ceilalți parametri identici care afectează calitatea „spălării”, este mai bine să utilizați „ Zana". Din pulberile de spălat studiate " Mit", deoarece soluțiile lor au cea mai mică tensiune superficială. Prin urmare, primul mijloc (" Zana”) ajută mai bine la spălarea grăsimilor insolubile în apă din vase, fiind un emulgator - un instrument care facilitează producerea de emulsii (suspensii de particule minuscule dintr-o substanță lichidă în apă). Al doilea (" Mit”) spală mai bine rufele, pătrunzând în porii dintre fibrele țesăturilor. Rețineți că atunci când folosim detergenți de bucătărie, forțăm substanța (în special grăsimea) să se dizolve în apă cel puțin pentru o perioadă, deoarece. se descompune în particule minuscule. În acest timp, se recomandă să spălați detergentul aplicat cu un jet de apă curată și să nu clătiți vasele după un timp în recipient. În plus, a fost studiată tensiunea superficială a șampoanelor și gelurilor de duș. Datorită vâscozității destul de ridicate a acestor lichide, este dificil să se determine cu exactitate coeficientul de tensiune superficială, dar poate fi comparat. Șampoanele au fost testate (prin ruperea picăturilor) Pantene», "Schauma"Și " fructe» precum și geluri de duș Sensen», "Montpensier"Și " Descoperi».

Concluzie:

Tensiunea de suprafață scade la șampoane la rând Frutis - "Schauma" - "Pantene"în geluri - la rând "Montpensier" - Descoperi - „Simțuri”.

Tensiunea superficială a șampoanelor este mai mică decât tensiunea superficială a gelurilor (de exemplu, " Pantene» < «Simțurile» cu 65 mN/m), ceea ce justifică scopul lor: șampoane - pentru spălarea părului, geluri - pentru spălarea corpului.

Cu toate celelalte caracteristici identice care afectează calitatea spălării, este mai bine să utilizați din șampoanele studiate. "Pantene" (Fig. 9), dintre gelurile de duș studiate - „Sențuri” (Fig.10).

Metoda tear-off, deși nu foarte precisă, este folosită în practica medicală. Această metodă determină în scopuri de diagnostic tensiunea superficială a lichidului cefalorahidian, a bilei etc.

Concluzie

1. S-a obţinut confirmarea experimentală a concluziilor teoretice , demonstrând că un lichid omogen ia o formă cu o suprafață liberă minimă

2. S-au efectuat experimente cu scăderea și creșterea tensiunii superficiale, ale căror rezultate au demonstrat că săpunul și detergenții sintetici conțin substanțe care măresc proprietățile de umectare ale apei prin reducerea forței de tensiune superficială.

3. Să se determine coeficientul de tensiune superficială a lichidelor

a) a fost studiată o scurtă teorie a metodei de separare a picăturilor;

b) a fost proiectat și asamblat un montaj experimental;

c) se calculează valorile medii ale coeficientului de tensiune superficială a diferitelor lichide, se trag concluzii.

4. Rezultatele experimentelor și cercetărilor sunt prezentate sub forma unui tabel și fotografii.

Lucrul la proiect mi-a permis să dobândesc cunoștințe mai ample despre secțiunea de fizică „Tensiune de suprafață”.

Aș dori să-mi închei proiectul cu cuvintele marelui om de știință fizician

A. Einstein:

„Este suficient pentru mine să experimentez sentimentul misterului etern al vieții, să realizez și să înțeleg intuitiv structura minunată a tot ceea ce există și să lupt activ pentru a prinde chiar și cel mai mic sâmbure de rațiune care se manifestă în Natură”

Lista surselor și literaturii utilizate

http://www.physics.ru/

http://greenfuture.ru/

http://www.agym.spbu.ru/

Bukhovtsev B.B., Klimontovich Yu.L., Myakishev G.Ya., Fizică, manual pentru clasa a 9-a de liceu - ediția a IV-a - M .: Educație, 1988 - 271 p.

Kasyanov V.A., Fizică, clasa a 10-a, manual pentru instituțiile de învățământ general, M .: Bustard, 2001. - 410 p.

Pinsky A.A. Fizica: manual. Un manual pentru 10 clase cu studiu aprofundat al fizicii. M.: Iluminismul, 1993. - 416 p.

Yufanova I.L. Seri distractive la fizică la liceu: o carte pentru profesor. - M.: Iluminismul, 1990. -215s

Chuyanov V.Ya., Dicționar enciclopedic al unui tânăr fizician, M.: Pedagogie, 1984. - 350 s.

1 1 http://www.physics.ru/

2 http://greenfuture.ru

Datorită aderenței, se formează tensiune pe suprafața apei, iar pentru a sparge suprafața apei este nevoie de forță fizică și, în mod ciudat, destul de mult. O suprafață de apă netulburată poate ține obiecte care sunt mult mai „grele” decât apa, cum ar fi un ac de oțel sau o lamă de ras, sau unele insecte care alunecă prin apă de parcă nu ar fi un lichid, ci un corp solid.

Dintre toate lichidele, cu excepția mercurului, apa are cea mai mare tensiune superficială.

În interiorul lichidului, atracția moleculelor unul față de celălalt este echilibrată. Dar nu la suprafață. Moleculele de apă care se află mai adânc trag în jos moleculele de sus. Prin urmare, o picătură de apă, așa cum ar fi, tinde să se micșoreze cât mai mult posibil. Este tras împreună de forțele de tensiune superficială.

Fizicienii au calculat exact ce greutate trebuie suspendată dintr-o coloană de apă de trei centimetri grosime pentru a o rupe. Greutatea va avea nevoie de una uriașă - mai mult de o sută de tone! Dar aici este momentul în care apa este excepțional de curată. Nu există o astfel de apă în natură. Întotdeauna există ceva în el. Lasă măcar puțin, dar substanțele străine rupe verigile din lanțul puternic de molecule de apă, iar forțele de coeziune dintre ele scad.

Dacă se aplică picături de mercur pe o placă de sticlă, iar picături de apă pe una cu parafină, atunci picăturile foarte mici vor avea forma unei mingi, în timp ce cele mai mari vor fi ușor aplatizate de gravitație.

Acest fenomen se explică prin faptul că între mercur și sticlă, precum și între parafină și apă, apar forțe atractive (adeziune) mai mici decât între molecule în sine (coeziune). Când apa intră în contact cu sticla curată, iar mercurul cu o placă metalică, observăm o distribuție aproape uniformă a ambelor substanțe pe plăci, deoarece forțele de atracție dintre moleculele de sticlă și apă, moleculele de metal și de mercur sunt mai mari decât atracția dintre molecule individuale de apă și mercur. Acest fenomen, când un lichid este distribuit uniform pe suprafața unui solid, se numește umezire. Aceasta înseamnă că apa udă sticla curată, dar nu udă parafina. Umiditatea într-un caz particular poate indica gradul de contaminare a suprafeței. De exemplu, pe o farfurie spălată curat (porțelan, faianță), apa se răspândește uniform, într-un balon spălat curat pereții sunt acoperiți uniform cu apă, dar dacă apa de la suprafață ia forma unor picături, aceasta indică faptul că suprafața de vasul este acoperit cu un strat subțire dintr-o substanță care nu udă apa, cel mai adesea grăsime.

Tensiune de suprafata, dorința unei substanțe (fază lichidă sau solidă) de a reduce excesul de energie potențială a acesteia la interfața cu o altă fază (energia de suprafață). Este definită ca munca depusă pentru crearea unei unități de suprafață a interfeței de fază (dimensiunea J / m 2). Conform unei alte definiții, tensiune de suprafata- forta legata de unitatea de lungime a conturului limitand suprafata de separare a fazelor (dimensiunea N/m); aceasta forta actioneaza tangential la suprafata si impiedica cresterea ei spontana.

Tensiune de suprafata- principala caracteristică termodinamică a stratului superficial al unui lichid la limita cu faza gazoasă sau alt lichid. Tensiune de suprafata de diferite lichide la limita cu vapori proprii variază foarte mult: de la unități pentru gaze lichefiate cu punct de fierbere scăzut la câteva mii de mN/m pentru substanțe refractare topite. Tensiune de suprafata dependent de temperatură. Pentru multe lichide monocomponente neasociate (apă, săruri topite, metale lichide), departe de temperatura critică, dependența liniară este bine satisfăcută:

unde s și s 0 - tensiunea superficială la temperaturi TȘi T 0 respectiv, α≈0,1 mN/(m K) - coeficient de temperatură tensiune de suprafata. Principala modalitate de reglementare tensiune de suprafata este utilizarea substanțelor tensioactive (surfactanți).

Tensiune de suprafata intră în multe ecuații de fizică, chimie fizică și coloidală, electrochimie.

Acesta definește următoarele cantități:

1. presiune capilară, unde r 1 și r 2 - razele principale de curbură ale suprafeței și presiunea vaporilor saturați r r peste o suprafață lichidă curbată: , unde r- raza de curbură a suprafeței, R este constanta gazului, V n este volumul molar al lichidului, p 0 - presiunea pe o suprafață plană (legile Laplace și Kelvin, vezi Fenomene capilare).

2. Unghiul de umectare θ în contactul unui lichid cu o suprafață solidă: cos , unde este energia specifică de suprafață liberă a unui solid la interfața cu gazul și lichidul, - tensiune de suprafata lichide (legea Young, vezi Udare).

3. Adsorbția surfactantului unde μ este potențialul chimic al substanței adsorbite (ecuația Gibbs, vezi Adsorbție). Pentru soluţii diluate unde Cu- concentrația molară a agenților tensioactivi.

4. Starea stratului de adsorbție al surfactantului pe suprafața lichidului: (p s + a/A2)·( A- b)=k T, unde p s\u003d (s 0 -s) - presiune bidimensională, s 0 și respectiv s - tensiune de suprafata lichid pur și același lichid în prezența unui strat de adsorbție, A- constantă (analog cu constanta van der Waals), A este aria stratului de suprafață pe o moleculă adsorbită, b este aria ocupată de 1 moleculă de lichid, k- Constanta Boltzmann (ecuația Frumkin-Volmer, vezi Activitatea de suprafață).

5. Efect electrocapilar:- d s/ d f \u003d r s, unde r s este densitatea de sarcină a suprafeței, f este potențialul electrodului (ecuația lui Lipman, vezi Fenomene electrocapilare).

6. Lucrarea de formare a unui nucleu critic al unei noi faze WC. De exemplu, în timpul condensării omogene a aburului la presiune, unde p 0 - presiunea vaporilor deasupra suprafeței plane a lichidului (ecuația Gibbs, vezi Noua generație de fază).

7. Lungimea l a undelor capilare de pe suprafața lichidului: , unde ρ este densitatea lichidului, τ este perioada de oscilație, g- accelerarea gravitației.

8. Elasticitatea filmelor lichide cu strat de surfactant: modulul de elasticitate, unde s- zona filmului (ecuația Gibbs, vezi Filme subțiri).

Tensiune de suprafata măsurat pentru multe substanțe pure și amestecuri (soluții, topituri) într-o gamă largă de temperaturi și compoziții. Deoarece tensiune de suprafata foarte sensibile la prezența impurităților, măsurătorile prin metode diferite nu dau întotdeauna aceleași valori.

Principalele metode de măsurare sunt următoarele:

1. ridicarea lichidelor umede în capilare. Înălțimea de ridicare, unde este diferența dintre densitățile lichidului și ale gazului deplasat, ρ este raza capilarului. Acuratețea definiției tensiune de suprafata crește odată cu descreșterea raportului ρ/α (α este constanta capilară a lichidului).

2. Măsurarea presiunii maxime în bula de gaz (metoda Rehbinder); calculul se bazează pe ecuația Laplace. Când o bula este stoarsă într-un lichid printr-un capilar calibrat cu raza r, înainte de momentul separării, presiunea p m =2σ/r

3. Metoda cântăririi picăturii (stalagmometrie): (ecuația Tate), unde G- greutate totală n picături desprinse sub acţiunea gravitaţiei din tăierea unui tub capilar cu rază r. Pentru a îmbunătăți acuratețea, partea dreaptă este înmulțită cu un factor de corecție în funcție de r și de volumul picăturii.

4. Metoda de echilibrare a plăcilor (metoda Wilhelmy). La scufundarea unei plăci cu perimetru de secțiune Lîn lichidul de umectare greutatea plăcii, unde G 0 - greutatea plăcii uscate.

5. Metoda de rupere a inelului (metoda Du Nuy). Pentru a rupe un inel de sârmă cu o rază R este necesară forța de la suprafața lichidului

6. Metoda de drop din ședință. Profilul unei picături pe un substrat neumezibil este determinat din condiția ca suma presiunilor hidrostatice și capilare să fie constantă. Ecuația diferențială a profilului picăturii se rezolvă prin integrare numerică (metoda Bashfort-Adams). Măsurând parametrii geometrici ai profilului picăturii folosind tabelele corespunzătoare, ei găsesc tensiune de suprafata.

7. Metoda picăturii rotative. O picătură de lichid cu densitatea r 1 este plasată într-un tub cu un lichid mai greu (densitatea r 2). Când tubul se rotește cu o viteză unghiulară ω, picătura este alungită de-a lungul axei, luând aproximativ forma unui cilindru cu rază. r. Ecuația de calcul: . Metoda este folosită pentru a măsura mic tensiune de suprafata la interfaţa dintre două lichide.

Tensiune de suprafata este un factor determinant în multe procese tehnologice: flotarea, impregnarea materialelor poroase, acoperirea, acțiunea de spălare, metalurgia pulberilor, lipirea etc. tensiune de suprafataîn procesele care au loc în imponderabilitate.

concept tensiune de suprafata a fost introdus pentru prima dată de J. Segner (1752). În prima jumătate a secolului al XIX-lea. bazat pe ideea de tensiune de suprafata a fost dezvoltată teoria matematică a fenomenelor capilare (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). În a doua jumătate a secolului al XIX-lea. J. Gibbs a dezvoltat teoria termodinamică a fenomenelor de suprafață, în care rolul decisiv îl joacă tensiune de suprafata. În secolul XX. se dezvoltă metode de reglementare tensiune de suprafata cu ajutorul surfactanților și a efectelor electrocapilare (I. Langmuir, P.A. Rebinder, A.H. Frumkin). Printre problemele de actualitate moderne se numără dezvoltarea teoriei moleculare tensiune de suprafata diverse lichide (inclusiv metale topite), efectul curburii suprafeței asupra tensiune de suprafata.