Simbol de tensiune superficială. Începe în știință
Textul lucrării este postat fără imagini și formule.
Versiunea completă a lucrării este disponibilă în fila „Fișiere de lucru” 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 unui lichid 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. Totuși, nu putem turna apă într-un pahar și nici nu putem face nimic cu niciun lichid, fără a aduce în joc forțele tensiunii superficiale. Suntem atât de obișnuiți cu efectele numite tensiune superficială încât nu le observăm. Manifestările tensiunii superficiale a lichidelor în natură și tehnologie sunt surprinzător de diverse. Ele joacă un rol important în natură și în viața noastră. Fără ele, nu am putea scrie cu pixuri cu heliu; cartușele de imprimantă ar face imediat o pată mare, golindu-și întregul rezervor. Ar fi imposibil să vă săpunați mâinile - nu s-ar forma spumă. O ploaie uşoară ne-ar fi înmuiat, iar curcubeul ar fi fost imposibil de văzut indiferent de vreme. Tensiunea de suprafață colectează apa în picături și, datorită tensiunii superficiale, poate fi suflată un balon de săpun. Folosind regula „Fii surprins în timp” a profesorului belgian Plateau pentru cercetători, să luăm în considerare experimente neobișnuite în munca noastră.
Scopul lucrării: testarea experimentală a manifestărilor tensiunii superficiale a lichidelor, determinarea coeficientului de tensiune superficială a lichidelor folosind metoda de separare a picăturilor
Studiază literatură educațională, populară științifică, folosește materiale de pe Internet pe tema „Tensiune de suprafață”;
efectuați experimente pentru a demonstra că forma adecvată a unui lichid este o sferă;
efectuați experimente cu scăderea și creșterea tensiunii superficiale;
proiectați și asamblați un montaj experimental cu ajutorul căruia să se determine coeficientul de tensiune superficială a 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 formă în care suprafața sa liberă are cea mai mică suprafață. În dorința sa de a se contracta, pelicula de suprafață ar da lichidului o formă sferică 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, picăturile mici de rouă pe frunzele copacilor și pe iarbă au o formă apropiată de o minge; atunci când cad în cădere liberă, picăturile de ploaie sunt aproape strict sferice. Tendința unui lichid de a se contracta la minimum posibil poate fi observată în multe fenomene care par surprinzătoare. Galileo s-a gândit și 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 propria formă 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 întregul volum al cristalului și pot efectua vibrații termice în jurul centrelor fixe, moleculele lichide au o mai mare libertate. Fiecare moleculă a unui lichid, la fel ca într-un solid, este „sandwich” pe toate părțile de moleculele învecinate și suferă 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 din apropiere. Astfel de sărituri în lichide apar destul de des; prin urmare, moleculele nu sunt legate de centri specifici, ca în cristale, și se pot mișca în 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 pe rază scurtă a moleculelor lichide și ordine pe rază lungă a moleculelor unei substanțe cristaline: 1 - apă; 2 - gheață
Cum se poate explica contracția spontană a suprafeței unui lichid? Moleculele de la suprafață și adânc în lichid se află în condiții diferite. Fiecare moleculă din interiorul unui lichid este supusă forțelor atractive din partea moleculelor vecine care o înconjoară pe 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 unui lichid 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 se pot deplasa de la suprafață în lichid; acest lucru este împiedicat de forțele de respingere care apar atunci când distanțele dintre molecule scad. La anumite distanțe între moleculele trase spre interior și moleculele situate 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 o sferă are suprafața minimă pentru un volum dat, adică o picătură de lichid ia o formă apropiată de cea sferică. Cel mai simplu mod de a înțelege natura forțelor de tensiune superficială este prin observarea formării unei picături. Priviți cu atenție cum picătura crește treptat, se formează o îngustare - un gât - și picătura se rupe. Nu este nevoie de multă imaginație pentru a-ți imagina că apa este 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 produce aceeași impresie.
Experiența nr. 1
Frecarea unui lichid spre un minim de energie potentiala poate fi observata folosind bule de sapun. Folia 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.
Tensiunea superficială este un fenomen de presiune moleculară asupra unui lichid, cauzat de atracția moleculelor stratului de suprafață către moleculele din interiorul lichidului. 5
Experiența platoului (1849)
Orez. 4. J.Plateau
Tabanul care l-a determinat pe profesorul belgian să experimenteze a fost întâmplarea. 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: „Este timpul să fii surprins”. Am decis să explorez experiența Plateau, dar într-un mod diferit: să folosesc ulei de floarea soarelui și apă colorată cu mangan în experiment.
Experiment care demonstrează că un lichid omogen ia formă cu o suprafață liberă minimă
Opțiunea #2 pentru experiența platoului
1) Uleiul de floarea soarelui a fost turnat într-un pahar.
2) Folosind un picurător pentru ochi, aruncați o picătură de apă colorată cu mangan cu un diametru de aproximativ 5 mm în ulei de floarea soarelui.
) Am observat bile de apă de diferite dimensiuni care cădeau încet pe fund și căpătând o formă ovală aplatizată (Foto 2).
5) Am observat cum picătura a luat forma corectă de minge (Foto 2).
Concluzie: Lichidul, care atrage moleculele stratului de suprafață, se comprimă singur. Forma ovală aplatizată se explică prin faptul că greutatea picăturii, care nu se amestecă cu uleiul, este mai mare decât forța de plutire. Forma corectă a mingii se explică prin faptul că picătura plutește în interiorul uleiului: greutatea picăturii este echilibrată de forța de plutire.
La cădere liberă, în stare de imponderabilitate, picăturile de ploaie au practic forma unei mingi. Într-o navă spațială, o masă destul de mare de lichid 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 este o forță îndreptată tangențial la suprafața unui lichid, perpendicular pe secțiunea conturului care delimitează suprafața, în direcția contracției acestuia.
Ơ - coeficient de tensiune superficială - acesta este raportul dintre modulul F al forței de tensiune superficială care acționează la limita stratului de suprafață ℓ și această lungime, valoare constantă care nu depinde de lungimea ℓ. Coeficientul de tensiune superficială depinde de natura mediului înconjurător și de temperatură. Se exprimă în newtoni pe metru (N/m).
Experimente cu reducerea și creșterea
Poza 3
tensiune de suprafataExperiența nr. 3
Atingeți centrul suprafeței apei cu o bucată de săpun.
Piesele de spumă încep să se deplaseze din centru spre marginile vasului (Foto 3).
A scăpat benzină, alcool, detergent în centrul vasului "Zana"
Concluzie: Tensiunea superficială a acestor substanțe este mai mică decât cea a apei.
Aceste substanțe sunt folosite pentru a îndepărta murdăria, petele de grăsime, funinginea, de ex. substante insolubile in apa.Datorita tensiunii superficiale destul de ridicate apa in sine nu are un efect de curatare foarte bun. De exemplu, atunci când moleculele de apă intră în contact cu o pată, acestea sunt atrase unele de altele mai mult decât de particulele de murdărie insolubilă.Săpunurile și detergenții sintetici (SDC) conțin substanțe care reduc tensiunea superficială a apei. Primul săpun, cel mai simplu detergent, a fost obținut în Orientul Mijlociu în urmă cu mai bine de 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.
A salvat o persoană de murdărie și a devenit curat de la o vârstă fragedă.
Vă spun despre săpun, care a dat naștere în curând: șampon, gel, pudră.
Lumea a devenit curată, ce bună este!
Fig 5. F. Gunter
Detergenții sunt substanțe naturale și sintetice cu efect de curățare, în special săpunul și pulberile de spălat folosite 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 (SDC) a apărut în 1916, a fost inventat de un chimist german Fritz Guntherîn scopuri industriale. SMS-urile de uz casnic, mai mult sau mai puțin inofensive pentru mâini, au început să fie emise în 1933. De atunci, s-au dezvoltat o serie de detergenți sintetici (SDC) pentru scopuri restrânse, iar producția lor a devenit o ramură importantă a industriei chimice.
Din cauza tensiunii superficiale, apa nu are un efect de curățare suficient. Când moleculele de apă intră în contact cu o pată, ele 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 substanțe se numesc agenți tensioactivi (surfactanți) deoarece acţionează la suprafaţa lichidului.
În zilele noastre, 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. Ei „se agață” de apă cu capul, iar grăsimea cu „cozile”. Atunci când agenții tensioactivi sunt amestecați cu apă, moleculele lor de la suprafață își îndreaptă „capul” în jos și „cozile” lor. Prin spargerea suprafeței apei în acest fel, aceste molecule reduc semnificativ efectul tensiunii superficiale, ajutând astfel apa să pătrundă în țesut. Cu aceleași „cozi” moleculele de surfactant (Fig. 6) captează moleculele de grăsime pe care le întâlnesc. 2
Experiența nr. 4
1.Toarnă laptele în farfurie astfel încât să acopere fundul (Foto 4)
2. Puneți 2 picături de verde strălucitor pe suprafața 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 cea a verdelui strălucitor.
Experiența nr. 5
Apa a fost turnată într-un vas mare de sticlă.
Bucăți de spumă au fost aruncate la suprafață.
Atingeți centrul suprafeței apei cu o bucată de zahăr.
Varcile 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 țesăturii
Am umezit un vată cu benzină și am umezit marginile petei cu această vată (nu pata în sine). Benzina reduce tensiunea superficială, astfel că grăsimea se acumulează în centrul petelor și poate fi îndepărtată de acolo; dacă udați pata în sine cu aceeași vată, aceasta 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 separare 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; picătura crește lent; putem presupune că în fiecare moment de timp este în echilibru. Tensiunea de suprafață determină contracția suprafeței picăturii, tinde să dea picăturii o formă sferică. Gravitația plasează centrul de greutate al picăturii cât mai jos posibil. Ca urmare, picătura pare alungită (Fig. 7a).
Orez. 7. a B C D
Procesul de formare și separare 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, cea mai mare parte a masei se adună în partea de jos și se formează un gât pe 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 scăderea să crească destul de mult și forțele tensiunii superficiale 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 a 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, precum și de debitul. . Când un lichid de umectare curge încet 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 care depinde de dimensiunea 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, putem scrie
Mg = 2πrơ (2)
Înlocuind valoarea razei gâtului r din egalitatea (1) și rezolvând-o, obținem
Ơ =mg/2πkR (3)
Pentru a determina masa unei picături, un anumit număr n de picături este cântărit într-un pahar de greutate cunoscută. Dacă masa unei căni fără picături și cu picături este M 0 și, 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 de separare a picăturilor”
Scopul studiului: determinați coeficientul de tensiune superficială a unui lichid prin ruperea 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: „Myth”, „Persil”, șampoane "Fruttis", « Pantene», "Schauma"Și " Fruttis", geluri de dus " Sensen», "Monpensier"Și " Descoperi».
Descrierea dispozitivului.
Pentru a determina coeficientul de tensiune de suprafață, s-a asamblat o instalație, constând dintr-un trepied pe care a fost instalată o biuretă cu lichidul testat. La capătul biuretei este atașat un vârf de tub, la capătul căruia se formează o picătură. Picăturile au fost cântărite într-o cană specială.
Progresul studiului
Folosind un șubler, diametrul tubului vârf a fost măsurat de trei ori și a fost calculată valoarea medie d.
S-a cântărit un pahar curat și uscat (M 0) pe cântar.
Folosind un robinet de biuretă, am atins rata de curgere
15 picături pe minut.
60 de picături de lichid au fost turnate dintr-o biuretă într-un pahar, numărând exact numărul de picături turnate.
Am cântărit un pahar de lichid. (M)
S-au înlocuit valorile obținute în formula ơ = ((M-M0)g)/πkdn
S-a calculat coeficientul de tensiune superficială.
Experimentul a fost efectuat de trei ori
S-a calculat valoarea medie a coeficientului de tensiune superficială.
Coeficientul de tensiune superficială în sistemul SI este măsurat în N/m.
Tabelul nr. 1
Rezultatele determinării coeficientului de tensiune superficială (N/m)
Lichid |
Coeficientul de tensiune superficială |
|
Măsurat |
Tabular |
|
Etanol |
||
Lapte (2,5) |
||
Lapte (de vacă de casă) |
||
Soluție pulbere „Mit”. |
||
Soluție pulbere Persil |
||
Detergent „Zână” |
||
Detergent "Aos" |
Concluzie: Dintre detergenții de bucătărie studiați, toți ceilalți parametri care afectează calitatea „spălării” fiind aceiași, este mai bine să utilizați produsul „ Zana" Dintre prafurile de spălat studiate" Mit", deoarece Soluțiile lor sunt cele care au cea mai mică tensiune superficială. Prin urmare, primul remediu („ Zana„) ajută mai bine la spălarea grăsimilor insolubile în apă din vase, fiind un emulgator - un mijloc care facilitează producerea de emulsii (suspensii ale celor mai mici particule 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 este „zdrobit” în particule minuscule. În acest timp, se recomandă să clătiți detergentul aplicat cu un jet de apă curată, în loc să clătiți vasele după ceva timp într-un 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 a acestora, dar poate fi comparat. Au fost studiate șampoanele (prin metoda ruperii picăturilor) „Pantene», "Schauma"Și " Fruttis", precum și geluri de duș " Sensen», "Monpensier"Și " Descoperi».
Concluzie:
Tensiunea de suprafață scade în șampoane pe o gamă "Fruttis" - "Schauma" - "Pantene"în geluri - la rând "Monpensier" - "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 acestora: șampoane – pentru spălarea părului, geluri – pentru spălarea corpului.
Cu toate celelalte caracteristici identice care afectează calitatea spălării, este mai bine să folosiți șampoanele studiate. "Pantene" (Fig. 9), dintre gelurile de duș studiate - „Sențuri” (Fig. 10).
Metoda de rupere a picăturilor, deși nu este foarte precisă, este, totuși, folosită în practica medicală. Această metodă determină tensiunea superficială a lichidului cefalorahidian, a bilei etc. în scopuri de diagnostic.
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 tensiunii superficiale.
3. Să se determine coeficientul de tensiune superficială al lichidelor
a) a fost studiată o scurtă teorie a metodei de separare a picăturilor;
b) a fost proiectat și asamblat un montaj experimental;
c) s-au calculat valorile medii ale coeficientului de tensiune superficială a diferitelor lichide și s-au tras concluzii.
4. Rezultatele experimentelor și cercetărilor sunt prezentate sub formă de tabele și fotografii.
Lucrul la proiect mi-a permis să dobândesc cunoștințe mai ample la secțiunea de fizică „Tensiune de suprafață”.
Aș vrea să-mi termin proiectul cu cuvintele marelui fizician
A. Einstein:
„Este suficient pentru mine să experimentez sentimentul misterului etern al vieții, să realizez și să înțeleg intuitiv structura minunată a tuturor lucrurilor și să mă străduiesc activ să înțeleg chiar și cel mai mic sâmbure de inteligență 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 IX-a de liceu - ediția a IV-a - M.: Educație, 1988 - 271 p.
Kasyanov V.A., Fizică, clasa a X-a, manual pentru instituțiile de învățământ general, M.: Gutarda, 2001. - 410 s.
Pinsky A.A. Fizica: manual. Un manual pentru 10 clase cu studiu aprofundat al fizicii. M.: Educație, 1993. - 416 s.
Yufanova I.L. Seri distractive la fizică la liceu: o carte pentru profesori. - M.: Educație, 1990. -215s
Chuyanov V.Ya., Dicționar enciclopedic al tânărului fizician, M.: Pedagogika, 1984. - 350 s.
1 1 http://www.physics.ru/
2 http://greenfuture.ru
Forțele atractive dintre molecule 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 imediat. Pe moleculele din interiorul unui lichid, forțele atractive ale altor molecule acționează pe toate părțile și, prin urmare, se echilibrează reciproc. Moleculele de pe suprafața unui lichid nu au vecini în 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. Luat 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 suprafața unui lichid - întinderea acestuia - trebuie efectuată o muncă mecanică pentru a depăși forțele tensiunii superficiale. În consecință, dacă un lichid 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 în zbor picăturile sunt ușor întinse din cauza rezistenței aerului). Din același motiv, picăturile de apă de pe caroseria unei mașini proaspăt ceară se adună în margele.
Forțele de tensiune superficială sunt utilizate în industrie, în special în turnarea formelor sferice, cum ar fi granulele de pușcă. Picăturile de metal topit sunt lăsate pur și simplu să se solidifice în zbor atunci când sunt aruncate de la o înălțime suficientă și ele însele se solidifică în bile înainte de a cădea în recipientul de primire.
Putem da 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 din cauza întinderii și compresiei alternative a coardei unui instrument muzical.
Dacă lichidul se va aduna în „sperle” sau se va răspândi într-un strat uniform pe o suprafață solidă depinde de raportul dintre forțele de interacțiune intermoleculară din lichid, care provoacă tensiunea superficială și forțele de atracție dintre moleculele lichidului și suprafață tare. În apa lichidă, de exemplu, forțele de tensiune superficială sunt cauzate de legăturile de hidrogen dintre molecule ( cm. Legături chimice). Suprafața sticlei este umezită de apă, deoarece sticla conține destul de mulți 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 ungeți suprafața sticlei cu grăsime, cu suprafața nu se vor forma legături de hidrogen, iar apa se va aduna 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, - impiedicarea apei de a colecta picaturi pe orice suprafata. Se adaugă, de exemplu, la detergenții lichizi pentru mașina de spălat vase. Intrând în stratul de suprafață de apă, moleculele unor astfel de reactivi slăbesc considerabil forțele tensiunii superficiale, apa nu se adună în picături și nu lasă pete murdare pe suprafață după uscare ( cm.
Moleculele unui lichid interacționează între ele prin forțe de atracție și repulsie, care se manifestă vizibil la distanță r, numită raza de acţiune moleculară (de ordinul mai multor diametre moleculare). Sferă cu rază r numită sfera de acţiune moleculară. Dacă molecula se află în stratul de suprafață, adică mai puțin de r de la suprafață, atunci rezultanta forțelor de atracție din moleculele din jur este direcționată în lichid. Prin urmare, pentru a muta o moleculă din interiorul unui lichid la suprafața sa, trebuie să se lucreze, ca urmare, energia liberă a suprafeței crește. Energia de suprafață liberă pe unitatea de suprafață a lichidului se numește coeficient de tensiune superficială:
unde A este munca care trebuie făcută pentru a crește aria suprafeței cu S. În sistemul SI, coeficientul de tensiune superficială (măsurat în J/m2.
La echilibru, energia liberă a sistemului este minimă, astfel că lichidul, lăsat la dispoziție, tinde să-și reducă suprafața. Să limităm mental o zonă a stratului de suprafață cu un contur închis. Conține forțe numite forțe de tensiune superficială, direcționate tangențial la suprafață și perpendicular pe secțiunea conturului pe care acţionează. Coeficientul de tensiune de suprafață (poate fi definit și ca forța pe unitatea de lungime a conturului care limitează suprafața:
Unitatea sa de măsură în sistemul SI este 1 N/m (newtoni pe metru = 1 J/m2, sau millingtons pe metru.
Coeficientul de tensiune superficială depinde de compoziția chimică a lichidului, de mediul cu care se învecinează și de temperatură. Odată cu creșterea temperaturii (se scade și la temperatura critică devine zero.
În funcție de puterea interacțiunii dintre moleculele lichidului și particulele corpului solid în contact cu acesta, este posibil ca corpul solid să fie sau nu umezit de lichid. În ambele cazuri, suprafața lichidului de lângă limita cu corpul solid este curbată...
Tensiunea superficială a apei la diferite temperaturi
Tensiune superficială (la 20° C)
Tensiunea superficială a lichidelor
Substanţă | q, mN/m |
Aluminiu topit (la t=7000 0 C, v) | 840 |
Azot lichid (la t=-183 0 C, p) | 6,2 |
Acetonă (p) | 24 |
Apă (la t=0 0 С,в) | 75,6 |
Apă (la t=20 0 С,в) | 72,8 |
Apă (la t=100 0 С,в) | 58,8 |
Apă (la t=374,15 0 С,в) | 0 |
Aur topit (la t=1130 0 C, v) | 1102 |
Glicerina (c) | 63 |
Kerosen (la t=0 0 С,в) | 29 |
Kerosen (c) | 24 |
Oxigen lichid (la t=-183 0 C, v) | 13,1 |
lapte (in) | 46 |
ulei (in) | 30 |
Soluție de săpun (in) | 40 |
Mercur (p) | 472 |
Plumb topit (la t=350 0 C, v) | 442 |
Argint topit (la t=970 0 C, la) | 930 |
Alcool (la t=0 0 С,в) | 22 |
eter (p) | 17 |
Tensiunea superficială a soluțiilor apoase (în dine/cm)
Conversie în SI: 1 dină/cm = 10 - 3 N/m
Solut | t, °C | Conținut, % în greutate | |||
5 | 10 | 20 | 50 | ||
H2SO4 | 18 | - | 74,1 | 75,2 | 77,3 |
HNO3 | 20 | - | 72,7 | 71,1 | 65,4 |
NaOH | 20 | 74,6 | 77,3 | 85,8 | - |
NaCl | 18 | 74,0 | 75,5 | - | - |
Na2SO4 | 18 | 73,8 | 75,2 | - | - |
NaNO3 | 30 | 72,1 | 72,8 | 74,4 | 79,8 |
KC1 | 18 | 73,6 | 74,8 | 77,3 | - |
KNO 3 | 18 | 73,0 | 73,6 | 75,0 | - |
K2CO3 | 10 | 75,8 | 77,0 | 79,2 | 106,4 |
NH3 | 18 | 66,5 | 63,5 | 59,3 | - |
NH4C1 | 18 | 73,3 | 74,5 | - | - |
NH4NO3 | 100 | 59,2 | 60,1 | 61,6 | 67,5 |
MgCl2 | 18 | 73,8 | - | - | - |
CaCI2 | 18 | 73,7 | - | - | - |
Lichidul este o stare de agregare a unei substanțe, intermediară între gazos și solid, de aceea are proprietăți atât ale substanțelor gazoase, cât și ale celor solide. Lichidele, ca și solidele, au un anumit volum, iar ca și gazele, ele iau forma recipientului în care se află. Moleculele de gaz practic nu sunt conectate între ele prin forțe de interacțiune intermoleculară. În acest caz, energia medie a mișcării termice a moleculelor de gaz este mult mai mare decât energia potențială medie cauzată de forțele de atracție dintre ele, astfel încât moleculele de gaz zboară în direcții diferite, iar gazul ocupă întregul volum care îi este furnizat. .
În solide și lichide, forțele de atracție dintre molecule sunt deja semnificative și țin moleculele la o anumită distanță unele de altele. În acest caz, energia medie a mișcării termice haotice a moleculelor este mai mică decât energia potențială medie din cauza forțelor interacțiunii intermoleculare și nu este suficientă depășirea forțelor de atracție dintre molecule, prin urmare solidele și lichidele au o anumită volum.
Analiza de difracție cu raze X a lichidelor a arătat că natura aranjamentului particulelor lichide este intermediară între un gaz și un solid. În gaze, moleculele se mișcă haotic, deci nu există niciun model în aranjamentul lor relativ. Pentru solide, așa-numitele comanda pe termen lungîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, repetându-se pe distanțe mari. În lichide există un așa-numit ordine de închidereîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, repetându-se la distanțe comparabile cu cele interatomice.
Teoria lichidelor nu a fost încă pe deplin dezvoltată. Mișcarea termică într-un lichid se explică prin faptul că fiecare moleculă oscilează un timp în jurul unei anumite poziții de echilibru, după care se deplasează brusc într-o nouă poziție, separată de cea inițială la o distanță de ordinul interatomiei. Astfel, moleculele lichidului se mișcă destul de lent în întreaga masă a lichidului, iar difuzia are loc mult mai lent decât în gaze. Odată cu creșterea temperaturii lichidului, frecvența mișcării vibraționale crește brusc, mobilitatea moleculelor crește, ceea ce determină o scădere a vâscozității lichidului.
Fiecare moleculă a unui lichid este supusă unor forțe de atracție din moleculele din jur, care scad rapid cu distanța; prin urmare, pornind de la o anumită distanță minimă, forțele de atracție dintre molecule pot fi neglijate. Această distanță (aproximativ 10 -9 m) se numește raza de acțiune moleculară r , și sfera de rază r-sfera de actiune moleculara.
Să izolăm o moleculă în interiorul lichidului Ași desenați o sferă de rază în jurul ei r(Fig. 10.1). Este suficient, conform definiției, să se țină cont de efectul asupra unei molecule date doar al acelor molecule care se află în interiorul sferei.
Fig. 10.1. acţiune moleculară. Forțele cu care aceste molecule acționează asupra moleculei A, sunt direcționate în direcții diferite și sunt compensate în medie, astfel încât forța rezultată care acționează asupra unei molecule din interiorul lichidului din alte molecule este zero. Situația este diferită dacă molecula, de ex. ÎN, situat de la suprafata la o distanta mai mica de r.În acest caz, sfera de acțiune moleculară este doar parțial situată în interiorul lichidului. Deoarece concentrația de molecule în gazul situat deasupra lichidului este mică în comparație cu concentrația lor în lichid, forța rezultată F, aplicat pe fiecare moleculă a stratului de suprafață, nu este egal cu zero și este direcționat în lichid. Astfel, forțele rezultate ale tuturor moleculelor stratului de suprafață exercită o presiune asupra lichidului, numită molecular(sau intern). Presiunea moleculară nu acționează asupra unui corp plasat într-un lichid, deoarece este cauzată de forțele care acționează numai între moleculele lichidului însuși.
Energia totală a particulelor lichide constă din energia mișcării lor termice haotice și energia potențială datorată forțelor interacțiunii intermoleculare. Pentru a muta o moleculă de la adâncimea lichidului în stratul de suprafață, trebuie să se cheltuiască munca. Acest lucru se realizează datorită energiei cinetice a moleculelor și duce la creșterea energiei lor potențiale. Prin urmare, moleculele din stratul de suprafață al unui lichid au o energie potențială mai mare decât moleculele din interiorul lichidului. Această energie suplimentară deținută de moleculele din stratul de suprafață al unui lichid, numită energie de suprafață, proporțional cu aria stratului Δ S:
Δ W=σ Δ S,(10.1)
Unde σ – coeficientul de tensiune superficială, definită ca densitatea energiei de suprafață.
Întrucât starea de echilibru este caracterizată de o energie potențială minimă, lichidul, în absența forțelor externe, va lua o astfel de formă încât pentru un volum dat să aibă o suprafață minimă, adică. forma mingii. Observând cele mai mici picături suspendate în aer, putem observa că acestea au într-adevăr formă de bile, dar oarecum distorsionate din cauza acțiunii gravitației. În condiții de imponderabilitate, o picătură de orice lichid (indiferent de mărimea acestuia) are o formă sferică, care a fost dovedită experimental pe nave spațiale.
Deci, condiția pentru echilibrul stabil al unui lichid este un minim de energie de suprafață. Aceasta înseamnă că un lichid pentru un anumit volum ar trebui să aibă cea mai mică suprafață, adică. lichidul tinde să reducă suprafața liberă. În acest caz, stratul de suprafață al lichidului poate fi asemănat cu o peliculă elastică întinsă în care acționează forțele de tensiune.
Să considerăm suprafața unui lichid delimitată de un contur închis. Sub acţiunea forţelor de tensiune superficială (sunt îndreptate tangenţial la suprafaţa lichidului şi perpendicular pe secţiunea conturului pe care acţionează), suprafaţa lichidului s-a contractat şi conturul în cauză s-a deplasat. Forțele care acționează din zona selectată pe zonele care o mărginesc funcționează:
Δ A=fΔ lΔ X,
Unde f=F/Δ l –forța de tensiune superficială, acționând pe unitatea de lungime a conturului suprafeței lichide. Este clar că Δ lΔ X= Δ S, acestea.
Δ A=fΔS.
Această muncă se realizează prin reducerea energiei de suprafață, adică
Δ Α =Δ W.
Dintr-o comparaţie a expresiilor reiese clar că
adică coeficientul de tensiune superficială σ este egal cu forța de tensiune superficială pe unitatea de lungime a conturului care delimitează suprafața. Unitatea de măsură a tensiunii superficiale este newton pe metru (N/m) sau joule pe metru pătrat (J/m2). Majoritatea lichidelor la o temperatură de 300K au o tensiune superficială de ordinul 10 -2 –10 -1 N/m. Tensiunea superficială scade odată cu creșterea temperaturii, pe măsură ce distanțele medii dintre moleculele lichide cresc.
Tensiunea superficială depinde în mod semnificativ de impuritățile prezente în lichide.substanțe , lichidele care slăbesc tensiunea superficială se numesc surfactanți (surfactanți). Cel mai cunoscut surfactant în raport cu apa este săpunul. Își reduce foarte mult tensiunea superficială (de la aproximativ 7,5 10 -2 până la 4,5·10 -2 N/m). Agenții tensioactivi care reduc tensiunea superficială a apei sunt și alcoolii, eterii, uleiurile etc.
Există substanțe (zahăr, sare) care cresc tensiunea superficială a unui lichid datorită faptului că moleculele lor interacționează cu moleculele lichide mai puternic decât moleculele lichide interacționează între ele.
În construcții, agenții tensioactivi sunt utilizați pentru prepararea soluțiilor utilizate la prelucrarea pieselor și structurilor care funcționează în condiții atmosferice nefavorabile (umiditate ridicată, temperaturi ridicate, expunere la radiații solare etc.).
Fenomen de umezire
Din practică se știe că o picătură de apă se întinde pe sticlă și ia forma prezentată în Fig. 10.2, în timp ce mercurul de pe aceeași suprafață se transformă într-o picătură ușor aplatizată. În primul caz se spune că lichidul udă suprafață dură, în a doua - nu se uda a ei. Udarea depinde de natura forțelor care acționează între moleculele straturilor de suprafață ale mediului de contact. Pentru un lichid umezit, forța de atracție dintre moleculele lichidului și solid este mai mare decât între moleculele lichidului însuși, iar lichidul tinde să crească
suprafata de contact cu un corp solid. Pentru un lichid care nu se umezește, forța de atracție dintre moleculele lichidului și solid este mai mică decât între moleculele lichidului, iar lichidul tinde să reducă suprafața de contact cu solidul.
Trei forțe de tensiune superficială sunt aplicate liniei de contact a celor trei medii (punctul 0 este intersecția sa cu planul desenului), care sunt direcționate tangențial în interiorul suprafeței de contact a celor două medii corespunzătoare. Aceste forțe, pe unitatea de lungime a liniei de contact, sunt egale cu tensiunile de suprafață corespunzătoare σ 12 , σ 13 , σ 23 . Colţ θ între tangente la suprafața unui lichid și a unui solid se numește unghiul marginii. Condiția pentru echilibrul unei picături este ca suma proiecțiilor forțelor tensiunii superficiale pe direcția tangentei la suprafața corpului solid să fie egală cu zero, i.e.
–σ 13 + σ 12 + σ 23 cos θ =0 (10.2)
cos θ =(σ 13 - σ 12)/σ 23 . (10.3)
Din conditia ca unghiul de contact poate fi acut sau obtuz in functie de valori σ 13 și σ 12 . Dacă σ 13 >σ 12 apoi cos θ >0 și unghi θ picant, adică lichidul udă o suprafață solidă. Dacă σ 13 <σ 12 apoi cos θ <0 и угол θ – tern, adică lichidul nu udă suprafața solidă.
Unghiul de contact satisface condiția (10.3) dacă
(σ 13 - σ 12)/σ 23 ≤1.
Dacă condiția nu este îndeplinită, atunci o picătură de lichid la orice valoare θ nu poate fi în echilibru. Dacă σ 13 >σ 12 +σ 23, apoi lichidul se răspândește pe suprafața solidului, acoperindu-l cu o peliculă subțire (de exemplu, kerosen pe suprafața sticlei), - acest lucru se întâmplă umezire completă(în acest caz θ =0).
Dacă σ 12 >σ 13 +σ 23, apoi lichidul se contractă într-o picătură sferică, în limită având un singur punct de contact cu acesta (de exemplu, o picătură de apă pe suprafața parafinei), - neumedare completă(în acest caz θ =π).
Udarea și non-umedarea sunt concepte relative, adică. un lichid care udă o suprafață solidă nu udă pe alta. De exemplu, apa uda sticla, dar nu uda parafina; Mercurul nu umezește sticla, dar curăță suprafețele metalice umede.
Fenomenele de umezire și neumedare sunt de mare importanță în tehnologie. De exemplu, în metoda de valorificare prin flotație a minereului (separarea minereului de roca sterilă), acesta, zdrobit fin, este agitat într-un lichid care udă roca sterilă și nu udă minereul. Prin acest amestec este suflat aer și apoi se stabilește. În acest caz, particulele de rocă umezite cu lichid se scufundă în fund, iar boabele de minerale se „lipesc” de bulele de aer și plutesc la suprafața lichidului. La prelucrarea metalelor, acestea sunt umezite cu lichide speciale, ceea ce facilitează și accelerează tratarea suprafeței.
În construcții, fenomenul de umezire este important pentru prepararea amestecurilor lichide (chit, chit, mortare pentru zidărie și preparare beton). Este necesar ca aceste amestecuri lichide să umezească bine suprafețele structurilor clădirii pe care sunt aplicate. La selectarea componentelor amestecului, se iau în considerare nu numai unghiurile de contact pentru perechile amestec-suprafață, ci și proprietățile tensioactive ale componentelor lichide.