Порядок выполнения работы

1. Определяют радиусы капилляров отсчетным микроскопом, расположив капилляры горизонтально.

2. Промывают капилляры.

3. Отсчетным микроскопом измеряют величину ∆Н.

4. Подставляя в формулу (2.4) значения r₁, r₂, ∆Н, находят коэффициент поверхностного натяжения. Результат, полученный по формуле (2.4), более точный, чем по формуле (2.3), т.к. в нее входит не высота столбика, а разность отсчетов положений менисков.

Упражнение 3 определение коэффициента поверхностного натяжения по методу счета капель

Оборудование: стеклянная бюретка или шприц, воронка, стаканчик, исследуемая жидкость, аналитические весы.

Содержание и метод выполнения работы

При медленном вытекании жидкости из вертикальной трубки на ее конце образуется капля, которая постепенно растет и, достигая некоторого веса Р, постоянного для данной жидкости и температуры, отрывается и падает (рис.2.7).

Обозначим диаметр сужения капли в момент

отрыва через 2r, а коэффициент поверхностного натяжения жидкости через α. Тогда для силы поверхностного натяжения, действующей по периметру сужения капли, получим выражение:

F=2πrα.

Эта сила прижимает каплю к жидкости в трубке. Очевидно, что отрыв капли от жидкости в трубке произойдет тогда и только тогда, когда вес капли становится больше или равен силе поверхностного натяжения. Таким образом, условия отрыва капли от трубки можно записать в виде:

P≥2πrα , где Р=mg

Откуда

α= . (2.5)

Так как при определении массы одной капли будет большая относительная погрешность, определяют массу Ν капель M. Тогда m= , где M – масса Ν капель, и вычисление α проводят по формуле:

α= . (2.6)

Радиус шейки капли в момент отрыва r в данной работе измеряют с помощью микроскопа.

Порядок выполнения работы

1. На аналитических весах взвешивают сухой стаканчик.

2. Промывают бюретку дистиллированной водой.

3. Наполняют бюретку дистиллированной водой с помощью воронки.

4. Открывают кран бюретки настолько, чтобы жидкость вытекала со скоростью 40-50 капель в минуту.

5. Микроскопом измеряют радиус шейки капли в момент отрыва.

6. Отсчитывают 100-150 капель в чистый сухой стаканчик.

7. Взвешивают на аналитических весах стаканчик с водой и определяют вес Ν капель.

8. Вычисляют α по формуле (2.6).

Контрольные вопросы

1. В чем причина особых свойств поверхностного слоя жидкости?

2. Чем объяснить стремление жидкости при данном объеме иметь минимальную поверхность?

3. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? (Дать определение этой величины через силу поверхностного натяжения, через избыточную потенциальную энергию поверхностного натяжения жидкости и через свободную энергию поверхностного слоя).

4. Чему равен коэффициент поверхностного натяжения при критической температуре?

5. Почему загрязнение кольца А и внутренней поверхности кюветы (рис.2.5) могут повлиять на результаты измерения?

6.Объяснить идею метода определения коэффициента поверхностного натяжения (для каждого из трех предложенных упражнений).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА АВОГАДРО МЕТОДОМ РАСТЕКАНИЯ КАПЛИ

Оборудование: кювета, бюретка на штативе, линейка, раствор касторового масла или олеиновой кислоты.

Вопросы к допуску:

1. Какая физическая величина называется числом Авогадро?

2. Каким образом число Авогадро определяется в данной лабораторной работе?

Содержание и метод выполнения работы

Число Авогадро – это число молекул в моле любого вещества. Число Авогадро является одной из важнейших универсальных постоянных, значение которой используется при определении многих других постоянных величин (постоянной Больцмана, заряда электрона и т.д.). Существует до 20 различных методов определения числа Авогадро. Наиболее точное значение числа Авогадро получено на основании данных о плотности и строении кристаллов. Одним из первых методов определения числа Авогадро является метод Ж.Перрена, основанный на наблюдении распределения по высоте частиц, взвешенных в жидкости и совершающих броуновское движение.

В данной работе для определения числа Авогадро используется метод растекания капли. Если капля раствора олеиновой кислоты в легко летучей жидкости падает на поверхность воды, то растворитель быстро испаряется, а олеиновая кислота, растекаясь, образует на поверхности воды мономолекулярную пленку. Если поверхность воды посыпать предварительно легким слоем пробковых опилок или талька, то на ней образуется хорошо наблюдаемое, свободное от порошка круглое пятно.

Рассмотрим каплю некоторой жидкости 1, расположенную на поверхности другой, не смешивающейся с ней жидкости 2. Форма капли устанавливается в данном случае под влиянием трех сред: жидкости 1, жидкости 2, воздуха 3. Эти три среды имеют общую границу – окружность, ограничивающую каплю и пересекающую плоскость чертежа в двух точках .

По этой окружности пересекаются между собой три поверхности: поверхность, разграничивающая, жидкость 2 и воздух 3 с коэффициентом поверхностного натяжения α₂₃, поверхность, разграничивающая жидкость 1 и воздух 3 с коэффициентом поверхностного натяжения α₁₃, поверхность, разграничивающая жидкости 1 и 2 с коэффициентом поверхностного натяжения α₁₂.

На каждую единицу длины контура (окружность диаметра АВ), разграничивающего все три среды, действуют силы поверхностного натяжения F₂₃, F₁₃, F₁₂, численно равные соответственно значениям α₂₃, α₁₃, α₁₂ (рис.2.8.). Эти силы будут направлены перпендикулярно к отдельным элементам окружности и касательно к соответствующим поверхностям раздела. В случае, когда можно пренебречь силой тяжести по сравнению с силами поверхностного натяжения, равновесной будет такая конфигурация капли, для которой:

F₂₃+F₁₃+F₁₂=0,

или переходя от векторной суммы к алгебраической, получим:

F₂₃=F₁₃cosθ₁₃+F₁₂cosθ₁₂

отсюда следует, что в случае равновесия F₂₃≤F₁₃+F₁₂, т.е. α₂₃≤α₁₃+α₁₂, т.к. cosθ₁₃ и cosθ₁₂ меньше единицы.

Если же F₂₃>F₁₃+F₁₂, т.е. α₂₃>α₁₃+α₁₂, то равновесие капли жидкости 1 на поверхности жидкости 2 невозможно, поэтому капля растекается по поверхности жидкости в виде пленки мономолекулярной толщины.

Многие органические жидкости (эфир, скипидар, керосин) растекаются на поверхности воды. Для некоторых жидкостей (бензол, жирные кислоты, масло) явление растекания наблюдается только для первых капель, помещенных на поверхность воды. Последующие капли уже не растекаются, а остаются на поверхности воды в виде устойчивых капель. Это объясняется тем, что первые капли, растекаясь, загрязняют поверхности воды и уменьшают поверхностное натяжение настолько, что равновесие капель становится возможным.

Многочисленные эксперименты, в частности опыты Ленгмюра, Дево, Релея и других, привели к выводу, что если площадь воды достаточно велика, то капля масла соответствующего объема растекается в очень тонкий мономолекулярный слой. Произведенные вычисления показали, что площадь, занимаемая каждой молекулой жирных кислот, равна:

S_m=2110^-20м².

Молекулы жирных кислот представляют собой нечто вроде эллипсоида или цилиндра, и в мономолекулярном слое на поверхности воды они ”упакованы” вплотную, соприкасаясь боковыми поверхностями. Зная площадь, занимаемую одной молекулой, и измерив диаметр круга пятна на поверхности воды, можно рассчитать количество молекул в капле раствора:

n=S/S_m,

где S – площадь полученного круглого пятна: S=πd²/4.

Отсюда для n получим выражение: (2.7).

Это же число молекул в капле можно найти, если известна масса олеиновой кислоты или касторового масла m, содержащейся в одной капле, и его молекулярная масса μ=0,282 :

n= N_А (2.8),

где Ν₀ – число Авогадро, а отношение дает число молей, содержащихся в данной массе вещества. Приравнивая (2.8) и (2.7), получим:

= N_А (2.9).

Из (2.9) получим для вычисления числа Авогадро формулу:

(2.10).