II. Работа студентов во время практического занятия.

Задание 1.

Получить допуск к занятию. Для этого необходимо:

– иметь конспект в рабочей тетради, содержащий название работы, основные теоретические понятия изучаемой темы, задачи эксперимента, таблицу по образцу для внесения экспериментальных результатов;

– успешно пройти контроль по методике проведения эксперимента;

– получить у преподавателя разрешение выполнять экспериментальную часть работы.

Задание 2.

Выполнение лабораторной работы, обсуждение полученных результатов, оформление конспекта.

Приборы и принадлежности

1. Cталагмометр.

2. Зажим.

3. Исследуемые жидкости (дистиллированная вода, растворы спирта 10%, 20%, 30%)

Принцип метода

Метод отрыва капель – это наиболее простой способ определения коэффициента поверхностного натяжения. Он основан на том, что при образовании капель жидкости, вытекающей из узкой вертикально расположенной трубки внутреннего радиуса r, отрыв капли происходит при условии, что ее сила тяжести (F_т) преодолевает силу поверхностного натяжения (F_п), действующую по периметру шейки капли (рис. 8). Перед самым отрывом капли сила поверхностного натяжения уравновешивает силу тяжести капли:

Рис. 8. Силы, действующие на каплю в момент отрыва

Fп = Fт

Fт = mg

Fп =l∙σ

Если в этом уравнении известны F_т и r, то σ находится из выражения:

Fт = Fп

mg = l∙σ = 2rσ,

следовательно .

F_т может быть легко определена, но определение радиуса перетяжки связано с некоторыми затруднениями.

Способ, позволяющий избежать измерения радиуса перетяжки, заключается в сравнении коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости с коэффициентом поверхностного натяжения другой жидкости, для которой эта величина хорошо известна. Обычно в качестве такой эталонной жидкости применяется дистиллированная вода, величина коэффициента поверхностного натяжения которой для различных температур дается в таблицах. Тогда можно записать 2 уравнения:

для исследуемой жидкости: F_т = m_иg = 2rσ_и;

для эталонной жидкости (воды): F_т = m_вg = 2rσ_в,

где m_и m_в – вес капли исследуемой жидкости и капли воды, а радиусы перетяжек капель обеих жидкостей приняты одинаковыми. Взвешивание капель заменяется простым подсчетом числа капель исследуемой и эталонной жидкостей, содержащихся в одинаковых, точно ограниченных объемах.

Пусть n_и – число капель исследуемой жидкости, n_в – число капель эталонной жидкости (воды) во взятом объеме V; ρ_и и ρ_в соответственно плотности этих жидкостей.

Тогда сила тяжести одной капли каждой из этих жидкостей выразится соотношением:

для исследуемой жидкости:		(1)
для эталонной жидкости (воды):		(2)

где m_и и m_в – масса капли, и –объем одной капли. Поделим по членам выражение (1) на выражение (2), получим:

, следовательно .

Как видно из формулы для определения коэффициента поверхностного натяжения нужно знать, кроме числа капель исследуемой и эталонной жидкости в данном объеме, плотности этих жидкостей и значение коэффициента поверхностного натяжения эталонной жидкости.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения применяется простой прибор, называемый сталагмометром (от греч. "сталагма" – капля).

Сталагмометр представляет собой прямую или коленчатую стеклянную капиллярную трубку с шарообразным расширением (Р) в середине и узким калибровочным канальцем (К) на конце (рис. 9).

Рис. 9. Сталагмометр

Выполнение работы

1. В вертикально установленный на штативе сталагмометр (рис. 9), через резиновую трубку, надетую на верхний конец сталагмометра, с помощью резиновой груши (Г) засасывают из подставленного снизу стаканчика дистиллированную воду (без пузырьков!) выше верхней метки.

2. Осторожно поворачивая винт зажима на резиновой трубке, добиться раздельного падения капель воды в бутылочку с раствором, расположенную под сталагмометром. ВНИМАНИЕ: частота падения капель должна быть невелика для уверенного счета капель.

3. Сосчитать число капель n в объеме от верхней до нижней кольцевых меток сталагмометра (метки А и В на рис. 9).

4. Повторить счет капель не менее 3 раз, обращая особое внимание на постоянство объемов вытекающей воды.

5. Занести полученные результаты в таблицу 1.

6. Не изменяя положения зажима на резиновой трубке, выполнить пункты 1-5 для водных растворов спирта, начиная с раствора спирта наименьшей концентрации (10%), по-прежнему соблюдая постоянство объемов.

Таблица 1

№	вода		10% раствор спирта		20% раствор спирта		30% раствор спирта
	ρв =		ρ1 = 982,4 кг/м^3		ρ2 = 969 кг/м^3		ρ3 = 955,7 кг/м^3
	nв	σв(Н/м)	n1	σ1(Н/м)	n2	σ2(Н/м)	n3	σ3(Н/м)
1
2
3
Ср.

7. Определить коэффициент поверхностного натяжения для всех трех растворов, используя результаты измерения и формулу:

, к = 1, 2, 3, …(для 10%, 20%, 30% растворов спирта)

где σ_к – коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости (растворов спирта); σ_в – коэффициент поверхностного натяжения дистиллированной воды; n_в – среднее значение числа капель воды; n_к – среднее значение числа капель растворов спирта; ρ_в, ρ_к – соответственно плотности воды и спирта при комнатной температуре.

УКАЗАНИЕ: значение плотностей и величину коэффициента поверхностного натяжения воды взять из таблицы 1 и 2 раздела Приложение при температуре опыта.

8. Построить график зависимости коэффициента поверхностного натяжения от концентрации растворов.

9. Вычислить относительную и абсолютную погрешности измерений по формулам:

– относительная погрешность;

;

;

–абсолютная погрешность.

10. Записать результаты опыта с учетом погрешностей в виде:

σ_к = σ_к ± Δσ_к, где к = 1, 2, 3.

11. Обсудить полученные результаты измерений и расчетов с преподавателем. Подготовить письменный отчет по работе, который должен содержать формулы и результаты измерений, занесенные в таблицы, графики с анализом исследуемых процессов.

Задание 3.

Контроль конечного уровня знаний: устно-речевой отчет по выполненной лабораторной работе.

Задание 4.

Задание на следующее занятие: раздел и тема занятия.

СЛОВАРЬ ключевых терминов

1. Газовая эмболия – закупорка кровеносных сосудов за счет попадания пузырьков воздуха в кровеносные сосуды.

2. Гидрофильная поверхность – поверхность твердого тела, на которой капля (прилипает) растекается полностью.

3. Гидрофобная поверхность – поверхность твердого тела, на которой капля (не прилипает) растекается частично.

4. Капиллярные явления – явления, обусловленные поверхностным натяжением на границе раздела несмачивающих сред, вызывающие искривление жидких поверхностей, т.е. поднятие их уровня или опускание.

5. Мениск – искривленная свободная поверхность жидкости вблизи границы ее соприкосновения с твердым телом.

6. Поверхностная энергия – избыток энергии поверхностного слоя, на границе раздела сред.

7. Поверхностно-активные вещества – вещества, способные адсорбироваться на поверхности жидкости, понижая ее поверхностное натяжение.

8. Поверхностное натяжение – термодинамическая характеристика поверхности раздела сред, определяемая силой, действующей на единицу длины контура поверхности, стремящаяся сократить поверхность до минимума.

9. Смачивание – явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела. Выражается в полном или частичном растекании жидкости по поверхности твердого тела.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1.

Плотность воды при различной температуре

Температура, °С	ρ, кг/м^3	Температура, °С	ρ, кг/м^3
15	999,10	23	997,57
16	998,97	24	997,33
17	998,80	25	997,07
18	998,62	26	996,81
19	998,43	27	996,54
20	998,23	28	996,26
21	998,02	29	995,97
22	997,80	30	995,67

Таблица 2.

Коэффициент поверхностного натяжения воды при различной температуре

Температура, °С	σ, Н/м	Температура, °С	σ, Н/м
15	73,49∙10^-3	23	72,28∙10^-3
16	73,34∙10^-3	24	72,13∙10^-3
17	73,10∙10^-3	25	71,97∙10^-3
18	73,05∙10^-3	26	71,82∙10^-3
19	72,90∙10^-3	27	71,66∙10^-3
20	72,75∙10^-3	28	71,50∙10^-3
21	72,59∙10^-3	29	71,35∙10^-3
22	72,44∙10^-3	30	71,18∙10^-3

16