19. Свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение.

Энергетическое состояние молекул в-ва в межфазном поверхностном слое и в глубине фазы различна.

Рассмотрим однокомпонентную систему которая находится в равновесии в 2-ух фазах

H₂O_ж H₂O_пар

2 пар

1 ж

F=0

Действие сил оказ. на молекулу 1 скомпенсировано. Для 2-ой действие межмолекулярных сил со стороны жидкой фазы больше чем со стороны газообразной фазы.

Сила F относится к ед. поверхности фаз. Оно определяется силой сцепления молекул Молекулярное давление тем выше, чем полярней молекул в-ва.

Для H₂O=14000 атм, а для C₆H₆=3600 атм

Поверхн. слой в следствии не скомпенсированности молекул, сила имеет избыт. свободную энергию по сравнению с V жидкости.

Этот избыток поверхностной энергии сосредоточен в слое толщиной в 1-у молекулу

=10^-19м

σ- удельная работа обр. поверхн. за счет выхода молекул из глубины фазы на поверхность. σ зависит от:

1) температуры: σ уменьшается с увелич. Т;

2) полярности: чем выше полярность тем выше σ

При t=20 ⁰C σ(H₂O)=73 кДж/м²

σ(C₆H₆)=28 кДж/м²

Согласно 2-ому закону термодинамики поверхностная энергия стремиться к

E_S=σS E_S min

σ min или S min

dE_S=Sdσ+σdS<=0

1. dσ<0 при S=const (адсорбция)

2. dS<0 при σ=const (коагуляция, спекание частиц, т.е. капля принимает форму шара)

20. Методы определения поверхностного напряжения.

Сталагмометрический метод основан на определении массы капли, отрывающейся от конца вертикальной трубки сталагмометра при свободном вытекании жидкости. Образование капли на отшлифо­ванном конце капилляра обусловлено действием сил натяжения, на­правленных в глубину объема капли. В момент ее отрыва можно счи­тать, что масса капли P_k равна силе поверхностного натяжения, действующей по контуру окружности капилляра с радиусом r , т.е. что P_K = r*2* π* σ_ж

Маccа капли определяется через чис­ло капель вытекающей жидкости n_ж в объеме V сталагмометра (от мет­ки А до метки В) и массу всей жидкос­ти в этом объеме P_y . Тогда

P_k=P_v/n_ж=(V*d_ж *g)/n_ж , d_ж - плотность исследуемого раствора.

g - ускорение силы тяжести.

Тогда имеем (V*d_ж *g)/n_ж =r*2* π* σ_ж .Из чего следует , что σ_ж =(V*d_ж *g)/ n_ж *2* π *r

Чтобы исключить определение радиуса капилляра и величину V , в том же приборе подсчитывают число капель стандартной жидкости, поверхностное натяжение которой известно. В качестве последней используется вода, для которой σ_H20 = (V* d_H20*g)/(n_H2O *2* π*r)

Взяв отношение σ_ж/ σ_H20 = (V* d_ж*2* π*r*g* n_H2O)/( V* d_H20*g*2*π* r* n_ж) -, получаем

расчетную формулу σ_ж = σ_H20 *(( d_ж* n_H2O)/( d_H20* n_ж))

Таким образом, экспериментальная часть работы сводится к определению числа капель исследуемых растворов и воды в объеме V сталагмометра. Значения σ_H20 при температуре опыта и плотностей бе­рутся из справочных: таблиц,

Определения числа капель для каждого испытуемого раствора проводятся до получения трех близких значений, из которых рассчитывают среднее значение.

В) Метод максимального давления пузырька газа (метод Ребиндера).

Этот метод основан на зависимости давления P_ж, под которым пузырек газа (воздуха) продавливает поверхностный слой жидкости, от ее поверхностного натяжения

P_ж = A* σ_ж или σ_ж =1/A* P_{ж ,} где А - коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от прибора.

Чтобы исключить определение величины А , в том же приборе проводят опыт со стандартной жидкостью - водой, для которой

σ_H20 =1/A*P_H2O

Из отношения σ_ж/ σ_H20 получают расчетную формулу σ_ж = σ_H20 * (P_ж/ P_H2O )

Так как давление измеряется и для воды, и для исследуемых жидкостей одним и тем же манометром отношение P_ж/ P_H2O может быть заменено отношением соответствующих разностей высот уровней манометра hж и h_H2O. Тогда σ_ж = σ_H20 *( hж/ h_H2O ).

Определение давления газа (h) проводится на приборе.

В пробирку с отводной трубкой I наливают исследуемую жидкость и плотно закрывают резиновой пробкой 2, через которую пропущена стеклянная трубочка 3, оканчивающаяся капилляром. Его конец должен только касаться поверхностного слоя исследуемой жидкости. Отводную трубку пробирки соединяют с водоструйним насосом 4

и манометром 5.

В пробирке при помощи водоструйного насоса создается раз-.ряжение, которое фиксируется на манометре. Выравнивая давление внутри пробирки с внешним, наружный воздух проходит пузырьками через капилляр, продавливая поверхностней слой жидкости.

Прохождение воздуха через капилляр регулируют насосом так, чтобы пузырьки шли по одному со скоростью, удобной для их подсчета. Установив определенную частоту образования пузырьков, производят по манометру отсчет не менее трех раз разностей уровней и выводят среднюю величину этих отсчетов.