ГОУ ВПО ИГМУ Росздрава Кафедра общей химии Физическая и

ГОУ ВПО ИГМУ Росздрава
Кафедра общей химии
Физическая и коллоидная химия
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ СЧЕТА КАПЕЛЬ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Методическое пособие
Иркутск, 2008
Пособие подготовлено кафедрой общей химии ГОУ ВПО ИГМУ
Рецензенты:
Пособие «ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО
НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ СЧЕТА КАПЕЛЬ» состоит из информационного материала и
лабораторной работы по курсу коллоидной химии и предназначено для студентов 2 курса
фармацевтического факультета очной формы обучения в соответствии с программой по
физической и коллоидной химией для фармацевтических вузов и факультетов по
специальности 040500 – Фармация.
2
ИНФОРМАЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
Капля жидкости имеет форму, при которой ее поверхность является наименьшей (шар).
На поверхности жидкости имеется как бы пленка, которая стремится ее сжать. Появление
такого слоя (пленки) на поверхности жидкости объясняется следующим образом. Пусть
внутри жидкости имеется молекула А (рис.).
Опишем вокруг нее сферу радиусом, равным расстоянию, на котором заметны силы
взаимного притяжения этой молекулы с окружающими ее молекулами жидкости. Вследствие
того, что эти равные силы действуют по всем направлениям симметрично,
равнодействующая их равна нулю.
В другом положении находится молекула Б. Силы притяжения, действующие со
стороны молекул жидкости, не уравновешиваются силами, действующими вне ее, в
результате чего равнодействующая притяжения этой молекулы направлена в сторону
жидкости вниз - молекула стремится втянуться внутрь жидкости. В таком положении
находятся все молекулы, образующие поверхностный слой жидкости, вследствие чего
возникает внутреннее давление в жидкости, направленное нормально к ее поверхностному
слою.
Вследствие наличия на поверхности жидкости молекул, не уравновешенных
межмолекулярными силами, в поверхностном слое создается свободная поверхностная
энергия, стремящаяся уменьшиться. На поверхности жидкости как бы образуется пленка,
обладающая поверхностным натяжением.
Чтобы увеличить поверхность жидкости, т. е. чтобы преодолеть ее поверхностное
натяжение, необходимо затратить некоторое количество работы. Работа, необходимая для
увеличения поверхности на 1 см2, служит мерой поверхностной энергии и называется
коэффициентом поверхностного натяжения, или, просто, поверхностным натяжением.
Можно рассматривать поверхностное натяжение не только как работу на единицу
поверхности, но и как силу, которая действует на единицу длины (1 см) линии,
ограничивающей поверхность, и стремится сократить последнюю.
В зависимости от того или иного определения поверхностное натяжение измеряется
или в эргах на 1 см'2, или в динах на 1 см. Оба измерения численно совпадают, так как 1
эрг/см2 - = 1 дин-см/см2 =1 дин/см = мДж/м2
Вследствие наличия поверхностного напряжения жидкость, вытекающая из
капиллярного отверстия, принимает форму капли. Отрыв капли наступает тогда, когда ее вес
преодолевает действие поверхностного натяжения.
Поверхностным натяжением обусловливается также поднятие жидкости в капилляре,
если она смачивает его стенки. Это поднятие объясняется тем, что жидкость, смачивая
стенки (как бы растекаясь по ним), увеличивает поверхностное натяжение, которое
стремится уменьшить поверхность. Уменьшение поверхности достигается тем, что жидкость
поднимается в капилляре вслед за смачивающим слоем. Высота поднятия жидкости
определяется весом столба жидкости, уравновешивающим поверхностное натяжение.
3
По высоте, диаметру столба и плотности жидкости можно рассчитать величину
поверхностного натяжения.
Растворенные вещества изменяют поверхностное натяжение жидкости. Одни из них
значительно понижают поверхностное натяжение, они называются поверхностноактивными, или капиллярно-активными, другие - поверхностно-неактивные, увеличивают
поверхностное натяжение.
Концентрация в поверхностном слое и внутри раствора поверхностно-активных и
поверхностно-неактивных веществ различна. Концентрация первых веществ в
поверхностном слое больше, чем внутри раствора, а вторых - наоборот. Это явлениеизменение концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с концентрацией
внутри раствора - называется адсорбцией. В зависимости от того, уменьшается или
увеличивается концентрация вещества в поверхностном слое раствора по сравнению с
внутренними слоями, адсорбция называется положительной или отрицательной.
К поверхностно-активным веществам, значительно понижающим поверхностное
натяжение воды, относятся многие органические соединения, например спирты, альдегиды,
кетоны, кислоты .
В гомологическом ряду жирных кислот поверхностная активность быстро возрастает с
удлинением углеродной цепи, а именно в среднем в 3,2 раза на каждую прибавляющуюся
группу СН2. Следовательно, в таком же отношении с ростом поверхностной активности
будет уменьшаться значение поверхностного натяжения раствора.
Способы измерения поверхностного натяжения
ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ПО ВЫСОТЕ ПОДНЯТИЯ
ЖИДКОСТИ В КАПИЛЛЯРНОЙ ТРУБКЕ
Если в жидкость опустить в вертикальном положении капиллярную трубку, то
поверхность жидкости в трубке будет иметь вид вогнутого мениска для жидкости,
смачивающей стенки трубки, и выпуклого - для несмачивающей жидкости.
Жидкость, хорошо смачивающая стенки капиллярной трубки, поднимается по
капилляру.
Высота капиллярного поднятия жидкости h прямо пропорциональна поверхностному
натяжению σ и обратно пропорциональна радиусу капилляра и плотности жидкости. Эту
зависимость можно выразить следующей формулой:
где а - поверхностное натяжение;
r - радиус капилляра (постоянная прибора);
d - плотность жидкости;
g - ускорение силы тяжести.
Зная r и d и найдя опытным путем h, можно вычислить σ по формуле
Принадлежности для работы
Толстостенный сосуд для испытуемой жидкости; штатив с лапкой; набор капиллярных
трубок; катетометр; часовое стекло. Дистиллированная вода; этиловый спирт; ртуть.
Описание метода работы
В широкий сосуд с испытуемой жидкостью помещают две капиллярные трубки разного
диаметра (рис).
4
Обозначим через h - высоту поднятия жидкости в первой трубке над уровнем жидкости
в сосуде, а через А2 высоту поднятия жидкости во второй трубке. Величину поверхностного
натяжения измеряют в обеих капиллярных трубках.
Согласно формуле (2), получаем для первой капиллярной трубки
и для второй
Из формул (3) и (4) следует
Методика определения.
Две капиллярные трубки тщательно промывают раствором двухромовокислого калия
К2Сг2О7в серной кислоте, затем дистиллированной водой и, наконец, спиртом. Промытые
капиллярные трубки высушивают в сушильном шкафу.
5
Измеряют радиус капиллярных трубок. Для этой цели с помощью резиновой груши
втягивают в капилляр столбик ртути длиной 5-10 мм. Кладут капилляр со ртутью
горизонтально на миллиметровый масштаб, измеряют длину столбика ртути в разных частях
трубки (перегоняя ртуть в капилляре с одного места на другое). Длина столбика ртути при
достаточно правильном канале капиллярной трубки должна быть почти одинаковой во всех
частях трубки.
Вычисляют из трех измерений среднюю длину h столбика ртути. Взвешивают часовое
стекло, выливают на него ртуть на трубки и снова взвешивают. По разности находят вес
ртути М.,
Измеряют температуру t во время опыта.
Обозначают плотность ртути при 0° через d0; тогда
0,00018 -• коэффициент линейного расширения ртути. Отсюда радиус капиллярной
трубки (см):
Наливают в сосуд дистиллированную воду, укрепляют в общем держателе зажимом две
капиллярные трубки с различными диаметрами капилляров и, установив по их отвесу
вертикально, опускают в воду. Вначале трубки следует опустить на 2-3 см ниже, чем это
требуется для опыта, и оставить в таком положении на несколько минут, чтобы стенки
канала трубки хорошо смочились водой. Затем трубки приподнимают и окончательно
укрепляют в штативе, после чего производят отсчет высоты поднятия жидкости в
капиллярах.
Устанавливают катетометр и передвигают трубку прибора до тех пор, пока
горизонтальная нить в окуляре не совпадет с нижней точкой мениска жидкости. Отмечают
на катетометре положение мениска в первой трубке (А1) и во второй трубке (А2). Находят
плотность воды d при температуре опыта. Вычисляют величину поверхностного натяжения
воды по формуле (5).
Так же определяют и поверхностное натяжение этилового спирта.
6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ СЧЕТА
КАПЕЛЬ
ПРОТОКОЛ
проведения лабораторной работы:
Принцип определения.
При вытекании жидкости из капиллярного отверстия образуются капли. В процессе
образования капли на нее действуют две противоположные силы: сила тяжести, стремящаяся
увеличить каплю и оторвать ее от капилляра, и сила поверхностного натяжения, стремящаяся
удержать ее. Капля отрывается от капилляра в тот момент, когда ее вес почти равен силе
поверхностного натяжения, приложенной к окружности капли в месте отрыва (т. е.
практически к окружности капилляра). В момент отрыва капли
где Р - вес капли;
r - радиус капилляра.
Если известен объем вытекающей жидкости (V) и число капель (n), то вес капли (Р) в
динах можно выразить следующим уравнением:
где d - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести. Из уравнений (1) и (2) следует,
что
Обычно производят сравнительное определение поверхностного натяжения, для чего
через один и тот же капилляр пропускают одинаковые объемы исследуемой жидкости и
жидкости с известным поверхностным натяжением (например, воды) и подсчитывают число
капель.
Тогда на основании уравнения (3) можно написать, что для исследуемой жидкости и
для воды
Разделив уравнение (4) на уравнение (5), получим:
Если исследуемой жидкостью является разведенный водный раствор, то уравнение (6)
примет следующий вид:
Для определения числа капель воды и исследуемой жидкости пользуются особым
прибором - сталагмометром.
Описание прибора
Сталагмометр представляет собой стеклянную трубку с расширением (А) и капилляром
(Б). Нижний конец капилляра имеет отшлифованную поверхность. Выше и ниже расширения
имеются две метки (В и Г) отграничивающие определенный объем жидкости. На верхний
7
конец сталагмометра надета резиновая трубка для засасывания жидкости с винтовым
зажимом (Д).
Методика проведения лабораторной работы
Сталагмометр несколько раз ополаскивают дистиллированной водой и укрепляют
вертикально на штативе. Затем в сталагмометр насасывают из стаканчика дистиллированную
воду выше метки (В), опускают стаканчик на стол и начинают отсчет капель воды в тот
момент, когда уровень воды в сталагмометре опустится до верхней метки.
Отсчет прекращают в тот момент, когда уровень воды дойдет до нижней метки (Г).
Опыт повторяют три раза и для расчетов берут среднюю величину (расхождение между
отдельными отсчетами должно быть не более 1 капли).
После этого сталагмометр промывают исследуемой жидкостью и определяют число
капель исследуемой жидкости.
В качестве исследуемых жидкостей берут следующие растворы:
1) 96% раствор этилового спирта (С2Н5ОН);
2) 50% раствор этилового спирта (С2Н5ОН).
Примечание.
Скорость истечения всех трех жидкостей должна быть небольшой и приблизительно
одинаковой. Этого добиваются, регулируя скорость истечения жидкости в приборе с
помощью винтового зажима.
Поверхностное натяжение этилового спирта различных концентраций находят по
уравнению (7). Поверхностное натяжение воды принимают равным 73 мДж/м2.
Результаты опыта записывают в таблицу и сопоставляют с правилом Траубе.
8
1
Вода
2
96%
этиловый спирт
50%
этиловый спирт
3
среднее
3 определение
Наименован
ие жидкости
2 определение
№
п\п
1 определение
Число капель
Поверхнос
тное натяжение,
мДж/м2
По результатам определений делают выводы, которые фиксируют в протоколе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какая существует зависимость между плотностью жидкости и величиной σ?
2. Почему жидкость поднимается по капиллярным трубкам?
3. Почему лучше определять а не по высоте поднятия в одной трубке, а по разности
высот А1 и А2 в двух трубках?
4. Можно ли радиусы капиллярных трубок измерить каким-либо другим способом?
9