Конспект уроку: Властивості рідин. Поверхневий натяг

Характерною властивістю рідини являється наявність вільної поверхні розділу рідина-газ, яка розташована перпендикулярно до напрямку сили тяжіння. Поверхневий шар рідини наділений особливими властивостями, що зумовлює існування так званих поверхневих явищ.

Порівняємо молекулу, яка знаходиться у об’ємі рідини, з молекулою поверхневого шару.

Рис. Поверхневий шар рідини

Молекула 1 в об’ємі рідини оточена з усіх сторін іншими молекулами. Оскільки рідина однорідна, сили притягання поміж молекулами будуть зрівноважені в усіх напрямках, відповідно їх рівнодійна дорівнює нулю.

Молекули, розміщені в поверхневому шарі, знаходяться у інших умовах в відміну від молекули у об’ємі рідини. Молекула 2 із боку молекул газу відчуває значно менше притягання, ніж зі боку молекул рідини, оскільки молекули газу знаходяться на значно більших відстанях.

Це призводить до наступного - на молекули поверхневого шару впливає не скомпенсована у поверхні розділу міжмолекулярна сила, спрямована в об’єм рідини. А тому для перенесення будь-якої молекули рідини з її об’єму на поверхню, тобто для збільшення поверхні рідини, треба виконати роботу проти рівнодійної сили F. Таким чином, молекули поверхневого шару знаходяться в особливому енергетичному стані: вони мають надлишкову потенціальну енергію порівняно із молекулами, котрі знаходяться у об’ємі рідини. Ця енергія називається поверхневою енергією. В зв’язку із тим, що сила F «втягує» молекули усередину рідини з поверхні, рідина завжди набуває такої форму, при котрій її вільна поверхня отримує найменшу можливу величину, тобто скорочує свою поверхню. Це означає, що за відсутності зовнішніх сил рідина при заданому об’ємі має набирати форми сфери, оскільки ця форма відповідає найменшій площі поверхні. Очевидно, що у невагомості довільна крапля буде сферичною. Підтвердженням цього висновку були спостереження космонавтів під час виконання у відкритому космосі електрозварювання електродом, який плавився.

Поверхневим натягом називається робота, котру необхідно виконати для ізотермічного зростання площі поверхні рідини:

де Ϭ - коефіцієнт поверхневого натягу; ∆Sn - зростання площі поверхні рідини.

Коефіцієнт поверхневого натягу Ϭ чисельно дорівнює силі поверхневого натягу F, котра діє по дотичній до поверхні рідини й припадає на одиницю довжини границі рідини l.

Поверхневим натягом пояснюються такі характерні для рідкого стану речовини явища, як утворення піни, формування крапель тощо.

В існуванні сил поверхневого натягу можна переконатись на досліді з мильною плівкою.

Спостереження поверхневого натягу

Етап 1.

На штативі підвішуються дві прямі дротини 1, які зв'язані між собою тонкими ниточками 2 і утворюють каркас. Знизу до каркасу підноситься кювета із мильним розчином З і встановлюється так, щоб весь каркас занурився у розчин.

Етап 2.

Після цього кювета повільно опускається вниз, а каркас затягується суцільною мильною плівкою. Бачимо, що нижня дротина піднялась вгору, бічні нитки набули дугоподібної форми. Якщо легенько потягнути за нижню ниточку, то форма каркаса знову стане прямокутною, а якщо нитку відпустити, то плівка, скорочуючись, повернеться у вихідний стан.

Отже, внаслідок тенденції рідини до скорочення своєї поверхні, мильна плівка набуває форми, відмінної від прямокутної

Коефіцієнт поверхневого натягу не залежний від величини та форми поверхні рідини, а залежить від сил молекулярної взаємодії (природи рідини) і тому має різні значення для різних рідин. Наприклад, у рідин, що легко випаровуються (ефір, спирт, бензин) молекулярні сили і, відповідно, поверхневий натяг значно менші, ніж у ртуті та інших рідких металів. Обчислення коефіцієнту поверхневого натягу здійснюється експериментально.

Рис. Вимірювання сили поверхневого натягу

Етап 1.

Чутливий динамометр 1 з підвішеною до нього П-подібною незамкненою петлею 2 шириною 5 см закріплюється на штативі. Шкала динамометра розрахована на 10 мН з ціною поділки 1 мН. Покажчик динамометра встановлюється на нулі шкали. Під петлю підставляється хімічний стакан З з водою і розміщується таким чином, щоб верхня сторона петлі занурена була у воду.

Етап 2.

При повільному опусканні хімічного стакану покази динамометра будуть поступово збільшуватись і досягнуть максимального значення, коли петля, з утвореною на її верхній частині водяною плівкою, вийде з товщі води.

Визначивши покази динамометра і врахувавши, що сила поверхневого натягу виконує роботу по збільшенню обох поверхонь плівки, дістанемо значення коефіцієнту поверхневого натягу води. Одержана величина досить точно відповідає табличному значенню коефіцієнта поверхневого натягу для води.

Дуже важливою являється залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури, котру вперше дослідив Д. Менделєєв ще в 1860 р. При зростанні температури рідини поверхневий натяг послаблюється, при наближенні до критичної температури - прямує до нуля.

З метою зменшення поверхневого натягу в рідину додаються домішки, котрі розташовуються на поверхні й зменшують поверхневу енергію. Подібні речовини звуть поверхнево-активними речовинами (ПАР). Належать до них різні компоненти нафти, мило, деякі жирні кислоти, ефіри, спирти, миючі засоби, амінокислоти. Зменшення коефіцієнта поверхневого натягу в розчинах ПАР викликане підвищенням їх концентрації у поверхневому шарі, так званою адсорбцією.