Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверская государственная медицинская академия Министерства здравоохранения Российской Федерации»

Кафедра физики исследование поверхностного натяжения

Методические указания для лабораторной работы № 7

(для фармацевтического факультета)

Тверь 2005

Методические указания составлены кафедрой медбиофизики ТГМА и предназначены в помощь студентам лечебного, стоматологического, педиатрического и фармацевтического факультетов при подготовке и выполнении лабораторной работы.

Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Изучить явление поверхностного натяжения и метод определения коэффициента поверхностного натяжения (КПН).

2. Экспериментально освоить метод определения коэффициента поверхностного натяжения с помощью торсионных весов.

3. Экспериментально определить КПН воды и влияние примесей на КПН.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

торсионные весы с пластинкой Вильгельми, чашка Петри, дистиллированная вода, пинцет, глюкоза, мыльный раствор, пипетка, спиртовка, спички, термометр.

1. Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я, Медицинская и биологическая физика. М.: Дрофа, 2004. 560 с. (см. §7.6-7.8).

2. Морозов Ю.В., Основы высшей математики и статистики. М.: Медицина, 1998. (см. п. 9.4).

Краткая теория

В жидкостях силы притяжения, действующие между молекулами, хотя и не так сильны как в твердых телах, но вполне достаточны для того, чтобы вещество в конденсированном состоянии обладало поверхностью. Силы притяжения, существующие между соседними молекулами одного типа, называются когезионными силами; они особенно важны в явлениях, связанных с поверхностями жидкостей.

Между молекулами любого вещества существуют силы взаимного притяжения, которые действуют на очень малых расстояниях порядка 10 ^-9м. Если вокруг молекулы, находящейся в глубине жидкости взять сферу с радиусом порядка 10 ^-9м (радиус действия), то в нее попадет большое количество молекул (для воды около 140 молекул). В силу определённой симметрии расположения молекул (ближний порядок) в полученной сфере вокруг центральной молекулы, равнодействующая сила когезии, действующая на центральную молекулу, равна нулю. Молекула же, расположенная на поверхности жидкости, притягивается лишь к молекулам, находящимися снизу и с боков от нее, и не испытывает заметного влияния со стороны молекул, находящихся сверху (пар). Равнодействующая сила, действующая на молекулу поверхности, направлена вниз. Нескомпенсированность сил когезии приводит к тому, что потенциальная энергия молекул, расположенных в поверхностном слое, больше, чем у молекул внутри жидкости. Величина избыточной поверхностной энергии пропорциональна площади поверхности, и для увеличения площади поверхности требуется совершить работу.

Вследствие нескомпенсированности поверхностных сил когезии, каждая молекула стремится уйти с поверхности внутрь жидкости и уменьшить площадь до минимума, при этом на поверхности жидкости создается особое напряженное состояние, которое называют поверхностным натяжением. На поверхности жидкости так же действует сила, стремящаяся сократить площадь поверхности, - сила поверхностного натяжения (F_п.н.). Данная сила скомпенсирована на всей поверхности, за исключением молекул, лежащих на границе раздела жидкость, твёрдое тело, пар. Сила поверхностного натяжения всегда направлена по касательной к поверхности жидкости перпендикулярно контуру, ограничивающему поверхность жидкости (периметр смачивания), и постоянна по величине.

Молекулы жидкости стремятся занять положение, соответствующее минимуму энергии, поэтому жидкость в свободном состоянии стремится иметь минимальную площадь поверхности и принимает сферическую форму. При добавлении капли оливкового масла в жидкость, имеющую такую же плотность, что и масло, но с которой масло не смешивается (например, в уксус или спиртово-водный раствор), можно увидеть маленькие шарики оливкового масла внутри исходной жидкости. Капельки в самом деле будут сферическими, поскольку внешнее силовое воздействие исключено благодаря тому, что масло помещено в среду с той же плотностью. Это наблюдение было сделано бельгийским физиком Жозефом Плато в 1873 году.

Если погрузить в мыльную воду прямоугольный проволочный каркас с надетой на него подвижной перекладиной (рис. 1), а затем вынуть, то он затянется мыльной пленкой. Пленка сразу же начнет сокращаться (молекулы уходят внутрь жидкости) и потянет за собой кверху легкую подвижную перекладину а-а.

Пусть перекладина длиной l поднялась на h, при этом пленка совершила работу А

Рис. 1

А = mgh, (1)

где т - масса перекладины. К каждой точке перекладины приложена сила поверхностного натяжения, направленная вверх. Величина, численно равная силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура, называется коэффициентом поверхностного натяжения (КПН), обозначается буквой  и измеряется в Н/м. Так как мыльная пленка имеет две поверхности, то сила, действующая на перекладину

F_п.н. = 2l. (2)

Работа, совершенная пленкой,

A = 2lh (3)

Но работа есть мера перехода одного вида энергии в другой или мера перехода энергии от одного тела к другому. В данном случае - в потенциальную энергию поднятой перекладины. Отсюда, КПН можно определить, как

(4)

или

(5)

Для свободной поверхности жидкости в сосуде коэффициент «2» в (4) и (5) отсутствует. Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения может измеряться и как энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности пленки, и как сила, действующая на единицу длины контура пленки. Противоречия в размерностях нет, так как:

1

Коэффициент поверхностного натяжения у разных жидкостей различен: σ - одна из физических констант, по которым может быть установлена неизвестная жидкость (табл. 1). Коэффициент поверхностного натяжения зависит также от температуры жидкости. Как видно из таблицы 1 (вода), с повышением температуры КПН уменьшается.

Таблица 1. Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом.

Жидкость	Температура	σ, Н/м
Ацетон	20	0,0237
Метиловый спирт	20	0,0226
Глицерин	20	0,0634
Ртуть	15	0,487
Мыльный раствор	20	0,040
Спирт	20	0,022
Желчь	20	0,048
Сыворотка крови	20	0,06
Моча	20	0,066
Вода	0	0,0756
Вода	20	0,0728
Вода	30	0,0712
Вода	100	0,0588

Следует отметить, что КПН существенно зависит от наличия примесей. Если при растворении твердого или жидкого вещества в жидком растворителе силы притяжения между молекулами растворенного вещества и растворителя меньше сил притяжения между молекулами растворителя, то σ_{раствора} уменьшается. Такие растворенные вещества называются поверхностно-активными (ПАВ). К ним принадлежит мыло при растворении в воде, ряд жирных кислот, желчь и многие другие. Так как молекулы растворенного вещества притягиваются молекулами растворителя слабее, чем молекулы растворителя, то из поверхностного слоя внутрь жидкости преимущественно втягиваются молекулы растворителя, и в поверхностном слое увеличивается концентрация молекул растворенного вещества, уменьшая тем самым поверхностное натяжение раствора. Равновесие наступает тогда, когда число молекул растворенного вещества, втягиваемых из поверхностного слоя вглубь жидкости, будет равняться числу молекул, приходящих вследствие диффузии из глубинных слоёв на поверхность. Поверхностный слой оказывается обедненным молекулами растворителя и обогащенным молекулами растворенного вещества. Это явление носит название адсорбции. Им объясняется устойчивость жидких пленок, пены и т.д.

Многие биологические соединения оказывают существенное влияние на поверхностное натяжение, то есть являются ПАВами. Так нормальное функционирование легочных альвеол обеспечивается наличием в них специальных поверхностно-активных соединений - сурфактантов. Важную роль играют подобные вещества в пищеварении. Например, способность желчи содействовать перевариванию жиров зависит не только от ее химического воздействия. Желчные кислоты по отношению к жирам являются ПАВ: уменьшая поверхностное натяжение капель жира, они делают возможным раздробление их на значительно более мелкие капли; в результате поверхность соприкосновения ферментов с пищевыми веществами возрастает во много раз, и, соответственно, увеличивается скорость переваривания.

Следует заметить еще раз, что поверхностное натяжение - свойство любой границы раздела двух сред, а не только жидкости. У твердых тел его величина, как правило, значительно больше, чем у жидкостей. Например, при обработке металлов на токарном станке деталь в месте обработки смазывают маслом, при этом коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела металл-масло меньше, чем на границе металл-воздух и энергия, требуемая на образование новой поверхности при срезании стружки, также меньше.

Измерение КПН водных растворов поверхностно-активных веществ служит наиболее чувствительным методом определения их концентрации в растворе. Методы измерения КПН подразделяются на статические (при неподвижных или медленно образующихся поверхностях раздела) и динамические (при движущихся и непрерывно обновляющихся поверхностях раздела). Динамические методы, основанные на применении измерений размеров колеблющихся струй и капель, практически не применяются из-за своей сложности. Используемый в данной работе метод относится к статическим.