Определение поверхностного натяжения жидкости лабораторная работа: Урок 21. Лабораторная работа № 05. Измерение поверхностного натяжения жидкости (отчет)

Содержание

Урок 21. Лабораторная работа № 05. Измерение поверхностного натяжения жидкости (отчет)

Лабораторная работа № 5

Тема: «ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ»

Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.

Выполнение работы.

Начертили таблицу:

№ опыта	Масса капель m, кг	Число капель n	Диаметр канала шприца d, м	Поверхност-ное натяжение σ, Н/м	Среднее значение поверхностного натяжения σ_ср, Н/м	Табличное значение поверхност-ного натяжения σ_таб, Н/м	Относительная погрешность δ %
1	1*10^-3	21	2,5*10^-3	0,066	0,069	0,072	4,167
2	2*10^-3	40	2,5*10^-3	0,069
3	3*10^-3	59	2,5*10^-3	0,071

Вычисляем поверхностное натяжение по формуле

Находим среднее значение поверхностного натяжения по формуле:

Определяем относительную погрешность методом оценки результатов измерений.

Вывод: я измерил поверхностное натяжение жидкости (воды), оно получилось равным 0,069 Н/м, что с учетом погрешности 4,167% совпадает с табличным значением.

Ответы на контрольные вопросы.

1. Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?

Поверхностное натяжение зависит от силы притяжения между молекулами. У молекул разных жидкостей силы взаимодействия разные, поэтому поверхностное натяжение разное. Также поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в жидкости, потому что, чем сильнее концентрация примесей в жидкости, тем слабее силы сцепления между молекулами жидкости. Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее.

2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?

Если температура увеличивается, то скорость движения молекул соответственно увеличивается, а силы сцепления между молекулами — уменьшаются. т.е силы поверхностного натяжения зависят от температуры.

Чем температура жидкости выше, тем слабее силы поверхностного натяжения.

3. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?

Изменится незначительно, т.к. в формулу входит величина g — ускорения свободного падения. А мы знаем, что в разных точках Земли ускорение свободного падения различно. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьирует ся от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах.

4. Изменится ли результат вычисления, если диаметр капель трубки будет меньше?

Изменение диаметра трубки не может приводить к изменению измеряемой величины. Для определения поверхностного натяжения используется формула .

По рисунку видно, что уменьшение диаметра трубки компенсируется уменьшением массы капли, а поверхностное натяжение, естественно, останется тем же.

5. Почему следует добиваться медленного падения капель?

При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли растет постепенно. Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d1 капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли сила тяжести равна результирующей силе поверхностного натяжения F = πdσ.

Необходимо, чтобы капли отрывались от трубки самостоятельно, под действием силы тяжести. Если падение капель будет быстрым при дополнительном нажатии на поршень шприца, то в момент отрыва капли сила тяжести не будет равна силе поверхностного натяжения и данный метод даст большую погрешность измерения.

Лабораторная работа Определение поверхностного натяжения жидкостей различными методами

Цель работы: Определение коэффициента поверхностного натяжения различных жидкостей методами отрыва кольца и счета капель. Влияние ПАВ на коэффициент поверхностного натяжения.

Часть 1. Метод отрыва кольца

Оборудование:

1. торсионные весы

2. кольцо на подвесе

3. чашка Петри

Ход работы

Изучить устройство торсионных весов и правила взвешивания на них.
Установить весы на нулевую отметку.
Определить силу отрыва Fкольца от поверхности жидкости.

(во время работы кольцо не брать пальцами)

Рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды по формуле:

, где d— диаметр кольца (указан)

Вывод рабочей формулы

Масса кольца уравновешивается массой чашечки весов. Чтобы оторвать кольцо от поверхности жидкости нужно приложить усилие F большее или равное силе поверхностного натяженияFпн

если внутренний и внешний диаметры кольца

примерно равны (рис. 9) , то, откуда следует:

Силу F измеряют с помощью торсионных весов

Рис. 9

Таблица для записи результатов измерений

№

ΔF

σ_изм=σ Δσ

10^-5 Н

10^-5Н

10^-2м

10^-3Н/м

среднее

Расчет погрешности измерений

; ; ; ;;где- коэффициент Стьюдента, приN=3, , он равен;

; .

Выводы:_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Часть 2. Метод счета капель

Оборудование:

1. бюретка

2. стаканчик

3. сосуды с дистиллированной водой и этиловым спиртом 96 %.

Ход работы:

Наполнив бюретку дистиллированной водой, подставляют под нее стаканчик и приоткрывают кран так, чтобы из бюретки вытекало не более 30-40 капель в минуту. В тот момент, когда уровень воды в бюретке совпадает с каким либо целым делением ее шкалы, приступают к счету капель.
Определяют число n₀капель воды при истечении ее объема в 2-3. Такой подсчет производят три раза.
Выливают воду из бюретки и наполняют ее исследуемой жидкостью. Поступая точно так же, как и в предыдущем опыте, определяют число капель n исследуемой жидкости при истечении такого же объема жидкости.
Промывают бюретку водопроводной, а затем дистиллированной водой.
Рассчитывают коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости по формуле: , где- плотность исследуемой жидкости,- плотность воды, (их берут из таблицы),- коэффициент поверхностного натяжения воды (он получен в первой части работы).

Вывод рабочей формулы

На каплю действуют две силы (рис.10) mg —сила тяжести,F— сила поверхностного натяжения. Отрыв капли происходит,еслиF меньше или равноmg.

, откуда следует:

— для исследуемой жидкости,

— для воды,

где r—радиус капли в месте ее отрыва,

V_k —объем капли исследуемой жидкости,

— плотность исследуемой жидкости, Рис. 10

V_k₀— объем капли воды.

Разделив полученные выражения одно на другое, после сокращений,

меем:, т.к. V =n₀ V_k_о=nV_k, гдеV_k— объем одной капли,n, n₀— число капель исследуемой жидкости и воды соответственно. Получаем рабочую формулу:

Таблица для записи результатов измерений

Жидкость	Число капель в 2 мл	Δn	Плотность, ρ	σ	σ_изм=σ Δσ	Табл. знач.
	№		кг/м³	10^-3Н/м	10^-3Н/м	10^-3Н/м
Вода	1 2 3		995			73,0
	n_1,_ср.=	Δn_1,_ср.
Спирт этиловый	1 2 3		809			22,3
	n_2,_ср.=	Δn_2,_ср.

Расчет погрешности измерений

; ; ; ; ;

;

Контрольные вопросы преподавателя:

1. Рассказать о свойствах поверхностного слоя жидкости

2. Какова причина возникновения дополнительной потенциальной энергии поверхностного слоя?

3. Дать определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

4. Перечислить параметры, влияющие на величину поверхностного натяжения.

5. Вывести формулу Лапласа.

6. Что собой представляют капиллярные явления?

7. В чем отличия смачивающих и несмачивающих жидкостей?

8. Где в природе встречаются капиллярные явления?

9. Вывести формулу высоты подъема или опускания жидкости в капилляре.

10. Рассказать о методах измерения коэффициента поверхностного натяжения.

11. Дать определение поверхностно-активных веществ и привести примеры их использования

12.Для чего измеряют коэффициент поверхностного натяжения биологических жидкостей?

Работа студента____________________________________________

N группы ________________________________________________

Факультет________________________________________________

Дата_____________________________________________________

Зачтено__________________________________________________

Лабораторная работа 6 определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца

Цель работы: измерение коэффициента поверхностного натяжения и его зависимости от температуры.

Оборудование: установка для определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца, набор разновесов, термометр, исследуемая жидкость.

Теоретическое введение

Рис. 1

Жидкость – это состояние вещества, промежуточное между газом и твердым телом. В газах все межмолекулярные связи разорваны, отдельные молекулы разлетаются и движутся независимо одна от другой. Поэтому газы могут занимать любой объем, а их плотность мала.

В твердых телах между молекулами (атомами) действуют силы притяжения, выстраивающие их в упорядоченную структуру. Такие связи, обозначены на рис. 1 штриховыми линиями, а вызвавшие их силы притяжения имеют электрическую или квантовую природу.

Рис. 2

В жидкости большое число связей разорвано (рис.2). Но оставшиеся связи, по-прежнему, удерживают отдельные молекулы вместе, не позволяя им разлететься как в газах. Отдельные молекулы связаны в макромолекулы или молекулярные слои, и объем и плотность жидкости не слишком отличаются от объема и плотности твердого тела.

Тем не менее, разорванных связей много, и отдельные молекулы могут легко оторваться от одной макромолекулы и присоединиться к другой в месте пустой разорванной связи (вакансии). Это приводит к тому, что молекулы жидкой среды могут легко смещаться, а жидкость деформироваться, т.е. менять форму при неизменном объеме, течь.

Рис. 3

Заметим, что межмолекулярные силы, действующие на молекулу А в глубине жидкости, в целом уравновешивают друг друга, а силы, действующие на молекулу Б на поверхности жидкости, стремятся втянуть ее вглубь (рис.2). Это приводит к появлению

поверхностного слоя

вблизи границы жидкости. Физические свойства поверхностного слоя отличаются от свойств остального объема жидкости. Толщина поверхностного слоя не превышает размера макромолекул ~ 0,1 ÷ 1,0 мкм. Межмолекулярные силы стремятся уменьшить площадь поверхностного слоя, втянуть все молекулы из этого слоя в объем жидкости. Такое явление называется

поверхностным натяжением

, а результирующие всех межмолекулярных сил, т.е. силы, действующие на поверхностный слой жидкости, называются

силами поверхностного натяжения.

Свободная поверхность жидкости – это та поверхность, которая может деформироваться, т.е. изменять свою форму и размер. Она существует, например, на границе жидкость – воздух. Силы поверхностного натяжения всегда направлены по касательной к свободной поверхности (поверхностному слою) жидкости и стремятся сократить ее площадь.

Так как каждый кусочек свободной поверхности жидкости, заштрихованной на рис. 3, уравновешен, то результирующие силы поверхностного натяжения приложены к контуру, ограничивающему свободную поверхность и направлены перпендикулярно к этому контуру.

Величину этих сил можно определить с помощью коэффициента поверхностного натяжения , который численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего свободную поверхность (рис. 3):

. (1)

Все фазовые переходы, включая рост одной фазы и уменьшение другой, в том числе образование и рост поверхности раздела фаз или поверхностного слоя происходят при неизменной температуре Т, т.е. изотермически. Поэтому приходим к другому определению коэффициента поверхностного натяжения – это работа, которую надо совершить при неизменной температуре для увеличения площади поверхности на единицу:

. (2)

Эта работа идет на изменение потенциальной энергии. Действительно, из рис. 2 видно, что при растягивании поверхностного слоя надо добавить в него молекулы А из глубины жидкости, совершая работу против межмолекулярных сил . Молекулы в поверхностном слое обладают большей энергией, чем молекулы в объеме жидкости.

Для границы жидкость-газ т.е. коэффициент поверхностного натяжения жидкостей уменьшается с ростом температуры.

В данной работе исследуются поверхностные свойства чистой жидкости (воды). Но, следует заметить, что очень сильно изменяет свойства поверхностного натяжения добавление в жидкость хотя бы малого количества поверхностно-активного вещества. Его длинные молекулы имеют несимметричную структуру: один конец такой молекулы гидрофильный, т.е. легко устанавливает связь с окружающими молекулами жидкости, а другой конец гидрофобный, т.е. отталкивается от молекул жидкости. Примером поверхностно-активного вещества может быть мыльный раствор в воде.

Рис. 3

Если масло в воде будет плавать в виде капли, то молекулы мыла образуют тончайший мономолекулярный поверхностный слой – мыльную пленку, которая немедленно растечется по всей поверхности воды (рис. 3). Молекулы мыла будут направлены гидрофобными концами наружу, а гидрофильными – к воде.

Коэффициент поверхностного натяжения у мыльной пленки заметно меньше, чем у воды, поэтому свободная энергия поверхности уменьшается, а вместе с ней уменьшается энергия всей системы, несмотря на небольшое увеличение потенциальной энергииmgh (мыло тонет в воде). Мыльной пленке энергетически выгодно занимать всю поверхность воды.

Лишние молекулы мыла плавают в воде в виде глобул гидрофобными концами внутрь (рис. 3). Если мыльную пленку растягивать, то они немедленно оказываются на поверхности. Поэтому тонкую пленку из чистой воды очень трудно создать и растянуть – она очень быстро будет рваться и стягиваться силами поверхностного натяжения к краям. Тонкую мыльную пленку можно растягивать очень сильно, до тех пор, пока в ней хватает молекул поверхностно-активного вещества для образования мономолекулярного поверхностного слоя. Другие поверхностно-активные вещества могут иметь больший коэффициент поверхностного натяжения и им энергетически невыгодно образовывать поверхностный слой. Пример – сахар: подслащенная вода имеет поверхностный слой из чистой воды.

При повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается и при критической температуре обращается в ноль. Критической называется температура, при которой величины, характеризующие физические свойства жидкости и пара становятся одинаковыми, так что различие между жидким и парообразным состоянием исчезает. Отметим, что величина поверхностного натяжения данной жидкости несколько меняется в зависимости от того, будет ли находиться над жидкостью ее собственный насыщенный пар или же тот или другой посторонний газ, или пустое пространство.

Поверхностное натяжение биологических жидкостей в некоторых случаях может служить диагностическим фактором. Так, например, поверхностное натяжение мочи, в норме составляющее 0,064 – 0,069 Н/м, при заболевании желтухой резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в кроки. О содержании липазы судят по изменению поверхностного раствора трибутилена при добавлении в него крови.

Рис. 4

Описание метода измерения

В данной работе для определения коэффициента поверхностного натяжения используется метод отрыва кольца. Установка. состоит из пружины 1, к которой подвешено легкое алюминиевое кольцо 3 с тонкими стенками и чашкой 2 наверху, масштабной линейки 5 и неглубокого сосуда 4 с исследуемой жидкостью (рис. 4).

Рис. 5

Подводим сосуд 4 вверх до соприкосновения жидкости с кольцом 3, а затем начинаем медленно и плавно опускать его вниз. Вода будет хорошо смачивать стенки алюминиевого кольца, так что краевой угол. Два контура, ограничивающие свободную поверхность жидкости, образуют две окружности, охватывающие внешнюю стенку кольца с диаметроми внутреннюю стенку с диаметром(рис. 5). Их общая длина равна.

Поверхность жидкости начинает все сильнее вытягиваться вслед за уходящим вверх кольцом, и в момент перед отрывом краевые углы стремятся к нулю, так что в этот момент сила поверхностного натяжения, вычисляемая по формуле (1), направлена вниз:

. (3)

Эта сила, тянущая кольцо вниз, растягивает пружину и уравновешивает силу упругости:

В момент отрыва растяжение пружинымаксимально. Величину силы упругости в этот момент можно определить, помещая в чашку 2 груз такой массы, чтобы он вызвал то же растяжение пружины:

где g – ускорение свободного падения.

Тогда, согласно (1), коэффициент поверхностного натяжения можно вычислить по формуле:

. (4)

Порядок выполнения работы

Штангенциркулем измерить наружный и внутреннийдиаметры кольца в пяти местах. Результаты занести в табл.1.
Подвесить кольцо к пружине и определить по шкале линейки 5 положение метки для пружины в ненагруженном состоянии (F=0).
В
Рис. 6
зять одну гирьку (цифры на каждой гирьке указывают миллиграммы), поместить в центр чашки 2 и определить по шкале высоту.
Увеличивая нагрузку F=mg (т.е. суммарную массу m гирек, лежащих в чашке), определить высоту h верхнего края чашки по линейке 5. Данные измерений заносить в табл. 2. Гирьки добавлять последовательно, по одной, и не забывайте подсчитывать каждый раз их общую массу .
Снять все гирьки с чашки.
Поднимать сосуд с жидкостью до тех пор, пока поверхность жидкости не коснется нижнего края кольца. Следить за тем, чтобы этот край только смачивался, но не опускался вглубь воды. Затем, медленно и равномерно опуская сосуд, уловить равновесие (система находится в покое) перед отрывом кольца, и заметить по шкале высоту верхнего края чашки. Измерения провести не менее пяти раз и найти среднее арифметическое значение.
Построить график градуировки пружины h(m), принимая за начало координат значение, близкое к (рис. 6).
По построенному графику и по найденному растяжению пружины определить массу нагрузки, соответствующую этому растяжению (рис. 6).
Вычислить коэффициент поверхностного натяжения по формуле (4). Данные вычислений и измерений занести в табл. 2.Не забудьте перевести все данные в СИ.

Таблица 1

, мм						= мм
, мм						мм

Таблица 2

Т= К

m, мг

h, мм

кг

F_Н = Н

Н/м

Контрольные вопросы

Чем жидкость отличается от газа и от твердого тела? Почему жидкость течет так же легко как газ, а плотность ее близка к плотности твердого состояния?
Чем отличаются молекулы из поверхностного слоя от молекул из объема жидкости? Чем определяется толщина поверхностного слоя? Существует ли поверхностный слой у идеального газа? у твердой среды?
По какой причине возникает явление поверхностного натяжения? Как возникают силы поверхностного натяжения? К чему они приложены и как направлены?
Что такое свободная поверхность жидкости и контур, ограничивающий свободную поверхность?
Как стремятся изменить площадь поверхностного слоя силы поверхностного натяжения? Какую форму примет капля жидкости в случае отсутствия других сил (в невесомости) и почему? Почему поверхность воды в стакане в случае смачивания имеет не минимальную поверхность?
Д
Рис. 7
айте два определения коэффициента поверхностного натяжения (через силу и через работу или энергию). Тонкая пленка с коэффициентомнатянута на прямоугольную рамку со сторонамиa и b. Какую работу надо совершить, чтобы растянуть пленку, увеличив его ширину на х (рис. 7)?
Как изменяется коэффициент поверхностного натяжения жидкости при нагревании?
Какое значение имеет изучение поверхностного натяжения для медицины?
Объясните метод измерения коэффициента , используемый в этой работе. Выведите формулу (4). Покажите контур, ограничивающий поверхность жидкости, смачивающей алюминиевое кольцо.

Литература

Савельев И.В. Курс общей физики, 1989, Т. 1, гл. 15, § 92, 93.
Матвеев А.Н. Молекулярная физика, 1987, гл. 3, § 34.
Колмаков Ю.Н., Пекар Ю.А., Лежнева Л. С. Термодинамика и молекулярная физика, 1999, гл. 7, § 1, 2, 5; гл. 1, § 5, 6, 7.

4. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.– М:Высшая школа, 1987, главы 9.6, 9.7, 9.8.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7

Лаборатория 1 — Поверхностное натяжение

Лаборатория 1 — Поверхностное натяжение Некоторые характеристики поверхностного натяжения Молекулы на поверхности жидкости подвергаются несбалансированный сила молекулярного притяжения, так как молекулы жидкости стремятся тянуть те, что на поверхности внутрь, в то время как пар не имеет такого сильного ан Привлечение. Этот дисбаланс приводит к тому, что жидкости склонны поддерживать а минимум площадь поверхности. Величина этой силы называется поверхность напряжение. Символ поверхностного натяжения — «гамма». Обычно напряжение между жидкостью и атмосферой называется поверхностным натяжением.

пока в натяжение между одной жидкостью и другой называется межфазным напряжение.

Поверхностно-активная молекула, также называемая поверхностно-активным веществом или поверхностно-активное вещество, имеет примерно равное соотношение между полярной и неполярный порции молекулы. Если такую молекулу поместить в масло-вода система, полярная группа (группы) притягивается или ориентируется к воде, а также в неполярная группа (группы) ориентирована к маслу. Поверхностно-активное вещество адсорбированный или ориентированы таким образом, что снижает межфазную напряжение между масляная и водная фазы. Когда поверхностно-активное вещество помещают в вода система он адсорбируется на поверхности и снижает поверхностное натяжение между в вода и воздух. Когда он находится в смеси твердого и жидкого Это адсорбирует на поверхности твердого тела и снижает межфазное натяжение между твердое тело и вода. Поскольку поверхностно-активное вещество адсорбируется при в поверхности логично, что концентрация ПАВ на поверхность будет больше, чем концентрация в массе решение. Математически такое отношение было выведено Гиббсом. Гиббс адсорбция Изотерма будет обсуждаться в классе. Это связано с понижением поверхность напряжения до избыточной концентрации ПАВ на поверхности.

Поверхностно-активные вещества имеют множество применений. В зависимости от использования поверхностно-активное вещество можно назвать многими именами, такими как — смачивающие агенты, эмульгирующие Агенты, Солюбилизирующие агенты и моющие средства. Тело наполнено естественно поверхностно-активные вещества, называемые фосфолипидами, которые являются ключевыми компонент в клеточные мембраны.

Когда две несмешивающиеся жидкости находятся в контакте, они склонны поддерживать в качестве как можно меньше поверхность. Поэтому трудно смешивание эти две жидкости и пусть они остаются смешанными. Хороший пример этого является ан заправка для салата из масла и уксуса. Добавление надлежащего поверхностно-активное вещество снизит поверхностное натяжение между двумя жидкостями и разрешать их смешать. Сливочная заправка для салата содержит яичный желток или искусственный поверхностно-активное вещество, чтобы сделать именно это.

ПАВ широко используются в фармации. Смачивающие агенты добавлен суспензиям, как пероральным, так и парентеральным, для предотвращения слеживания частицы во время хранения. Порошкообразные суспензии для восстановления содержать смачивание агенты для облегчения быстрого взвешивания частиц на добавление транспортного средства, такого как вода. Даже поверхностно-активные вещества были добавлены к таблетки способствовать проникновению влаги в таблетку для ускорения это распад.

ПРОЦЕДУРА:

Существует множество методов определения поверхностного или межфазного напряжение жидкости. Мы будем использовать тензиометр дю Нуи во всех наш измерения. Это тонкий инструмент, и вы должны соблюдать осторожность при работе с Это. Есть только три тензиометра Дю Нуи, так что вы должны Поделиться в инструменты. Вам дали компакт-диск, который демонстрирует правильное использование инструмента. Вам следует Посмотреть Это перед лаб. Инструктор будет готов помочь вам с работу инструмента.

Тензиометр Дю Муи состоит из платино-иридиевого кольца. поддерживается с помощью стремени, прикрепленного к коромыслу крутильных весов. Кольцо является помещен на границе двух жидкостей или на поверхности жидкости с воздуха. Затем его тянут вверх до тех пор, пока он не вырвется из жидкости и движется в вторую жидкость или в воздух. Сила, которая просто требовать чтобы сломать кольцо, освободив его от жидкости/жидкости или жидкости/воздуха интерфейс пропорциональна поверхностному натяжению. Инструмент, который мы будут Использование в классе было разработано производителем, поэтому циферблат чтение — кажущееся межфазное или поверхностное натяжение. Вы можете правильный это кажущееся поверхностное натяжение, чтобы получить истинное поверхностное натяжение путем умножение поправочным коэффициентом (F), основанным на геометрии инструмент. Поправочный коэффициент обычно очень близок к единице, поэтому игнорировать Это во время нашей классной деятельности. Однако вы должны знать, что ответы вы получаете не истинные значения поверхностного натяжения.

При проведении измерений с помощью тезиометра Дю Нуи поместите жидкость измерять в небольшой мензурке. Приостановить кольцо в жидкость и обнулить прибор кольцом под поверхностью из в жидкость. Убедитесь, что кольцо не касается стенок контейнера. через измерение. Если вы создаете поверхностное натяжение измерение начинайте опускать платформу, на которой стоит стакан, и добавляйте натяжение к кольцу, чтобы удерживать кольцо на месте, пока кольцо не сломается свободно жидкости. Если вы измеряете межфазное натяжение быть Конечно кольцо погружают в более плотную жидкость перед добавлением второго жидкость на поверхность первого. Затем выполните измерение, как до. Кольцо можно чистить дистиллированной водой и иногда прошло через пламя. Необходимо следить за тем, чтобы кольцо не касалось с пальцами или согнуть его по форме.

Ваша группа завершит все семь частей в лабораторию- Разделите работу так, чтобы две ученики работайте над A, B и C, пока один учащийся выполняет части D и E а также в последний учащийся завершает части F и G. Поделитесь своими выводами с каждый Другой и включить их в отчет, который должен быть представлен на следующей неделе.

Измерение поверхностного и межфазного натяжения следует принимать с помощью мензурки на 50 мл. ПАВ – это вещества который имеют тенденцию концентрироваться на границе раздела и опускать поверхность или межфазный напряжение. В этой лаборатории мы будем использовать два типа поверхностно-активное вещество. Лаурилсульфат натрия является анионным поверхностно-активным веществом. Твин 80 (полисорбат 80) — неионогенное поверхностно-активное вещество.

Часть А — А 1% решение Вам будет доступен лаурилсульфат натрия. Используй это подготовить растворы следующих концентраций. — 0,05, 0,01, 0,001 и 0,1 %. Это можно сделать с помощью серийного разведения. (10 мл 1% разбавленный до 100 мл составляет 0,1% и т. д.)Пожалуйста, сделайте 100 мл каждого раствора и быть конечно и сохранить их после выполнения части А использовать в части С. Измерьте Поверхность напряжение чистой воды и поверхностное натяжение пяти концентраций из ПАВ (исходный раствор и четыре сделанные вами). Сведите данные в таблицу и постройте график зависимости поверхностного натяжения от концентрация. На графике выберите точку, где график не выровнен. Это критическая концентрация мицеллообразования.

Часть B — Определение поверхностного натяжения масла. Быть уверенным к прокалите кольцо после каждого измерения с маслом. В настоящее время мера межфазное натяжение между минеральным маслом и водой, помещая в кольцо в воде, обнулив его и нанеся слой масла на в Топ..

Часть C. Используя четыре решения, сделанные в части A, определите межфазный напряжение между минеральным маслом и каждым из этих растворов в такой же образом, как прежде. Табулировать ваши результаты и построить график межфазного натяжения против концентрация поверхностно-активное вещество. Включите данные из части B в график.

Смачивающие агенты – вещества, способные снижение контактный угол между жидкостью и твердой поверхностью над который жидкость спреды. Это помогает удалить воздух с твердой поверхности и заменяет это с жидкостью. Они препятствуют слеживанию частиц в устный а также парентеральные суспензии при хранении снижают объем работы требуется для уменьшения размера частиц и облегчения быстрого диспергирования твердый в жидкость. Некоторые поверхностно-активные вещества очень хороши в этом, но другие химические вещества также могут смачивать поверхность порошка и способствовать его введение в суспензию.

Часть D. Вы приготовите три суспензии серы, используя другой процедуры и сравните результаты. 1) Используя стеклянную ступку и пестик, подготовить 100 мл 2% суспензии серы в воде. После краткий растирание серы с небольшим количеством воды, перевод р. содержание к 100 мл выпускник и добавить достаточное количество воды, чтобы сделать 100 мл. 2) С использованием Стеклянной ступкой с пестиком приготовьте 100 мл 2 % суспензии сера. На этот раз сначала растереть серу с 2 мл спирта чем добавлять воды и перелить в градуированную емкость на 100 мл и qs на 100 мл. 3) Опять таки приготовьте 100 мл 2% суспензии серы, но на этот раз используйте 10 мл 0,1% раствор лаурилсульфата натрия для растирания пудра до передача выпускнику 100 мл и qs. Теперь соблюдайте все три смеси.

Часть E — В соседние маленькие стаканы поместите очищенную воду и 0,1 % Содиун Лорил Сульфатный раствор. Одновременно добавить примерно 1 г напудренный серу в два стакана и наблюдать.

Растекание — Когда капля жидкости помещается на поверхность из твердое или жидкое, с которым он не смешивается, он может распространиться на форма фильм или остаться каплей. Поверхностное натяжение двух жидкостей а также в межфазное натяжение между ними определяет, жидкость будут распространять. Растекание жидкости по твердому телу определяется в одни и те же факторы. Работа по сплочению – это работа, необходимая для отдельный молекулы распространяющейся жидкости, чтобы она могла течь по подслой. Растекание происходит, если притяжение между двумя несмешивающимися жидкостями или же в работа сцепления больше работы сцепления. разница между работой адгезии и работой сцепления называется в распространение коэффициент.

Часть F. Поместите очищенную воду в три соседних чашки Петри. блюда. В одну каплю касторового масла, в другую каплю минерального масла. второй, а также капля олеиновой кислоты на треть. Наблюдайте, что бывает. К в чашку Петри с минеральным маслом добавить несколько капель 0,1% натрий Раствор лаурилсульфата. Наблюдайте за результатами.

Часть G. Приготовьте ДВЕ чашки Петри, встряхивая тонкий слой перец на поверхности воды в чашке Петри. Будьте уверены, чтобы не использовать слишком много перца. Это должно быть только легкое припудривание. Добавлять одна капля минерального масла возле центра плавающего перца к одному из в Петри блюда. Наблюдайте за результатами.
Мы подготовили 1% (об./об.) смесь Tween 80 (полисорбат 80) в минеральная масло. Он находится в коричневой пипетке. Добавьте одну каплю Минеральное масло Tween смесь ко второму чашка Петри. Наблюдайте за результатами.

Ваш отчет должен попытаться объяснить ваше наблюдение в терминах из в теории, которые мы обсуждали в отношении поверхностно-активных веществ.

Поверхностное натяжение | Измерения

Измерение поверхностного натяжения можно выполнить с помощью тензиометра силы. Эти приборы основаны на измерении сил, действующих на зонд, расположенный на границе раздела жидкость-газ или жидкость-жидкость. Зонд подключается к очень чувствительным весам, и интересующая поверхность жидкости контактирует с зондом. Силы, измеряемые весами при взаимодействии зонда с поверхностью жидкости, можно использовать для расчета поверхностного натяжения. Сила зависит от следующих факторов: размера и формы зонда, угла контакта между зондом и жидкостью и поверхностного натяжения жидкости. Размер и форма зонда легко контролируются. Зонды обычно изготавливаются из платины, что помогает обеспечить нулевой угол контакта между зондом и исследуемой жидкостью. Обычно используются две конфигурации зондов; кольцо дю Нуи и пластина Вильгельми. Металлический стержень также можно использовать вместо пластины Вильгельми, когда объем образца ограничен.

Метод кольца Дю Нуи

В этом методе в качестве зонда используется платиновое кольцо. Кольцо погружается ниже границы раздела путем перемещения предметного столика, на котором размещен контейнер с жидкостью. После погружения высота предметного столика постепенно уменьшается, и кольцо, в конце концов, вытягивается через поверхность раздела, неся с собой мениск жидкости. Если контейнер опустить дальше, в конце концов мениск оторвется от кольца. Перед этим событием объем (и, следовательно, прилагаемая сила) мениска проходит через максимальное значение и начинает падать до фактического разрыва.

Расчет поверхностного натяжения основан на измерении максимальной силы. Глубина погружения кольца и уровень, на который кольцо поднимается, когда оно испытывает максимальное натяжение, не имеют значения для этой техники. Первоначальные расчеты основаны на кольце с бесконечным диаметром (или проволоке) и не учитывают избыточную жидкость, которая подтягивается из-за близости одной стороны кольца к другой. Часть жидкости, которая находится непосредственно под кольцом, находится там не из-за сил поверхностного натяжения, а из-за капиллярных сил. Эта жидкость, однако, вносит свой вклад в показания силы, даваемые весами, и, таким образом, увеличивает измеренное значение поверхностного натяжения примерно на 7 %. Сегодня поправочные коэффициенты обычно используются в автоматизированных расчетах программного обеспечения для вычитания и учета этой избыточной жидкости. При использовании поправочного коэффициента необходимо знать плотность жидкости или, в случае измерения межфазного натяжения, разность плотностей двух жидкостей.

Метод пластины Вильгельми

В этом методе в качестве зонда используется шероховатая платиновая пластина. Расчеты этой методики основаны на периметре полностью смоченной пластины, находящейся в контакте с жидкостью. В этом методе существенное значение имеет положение зонда относительно поверхности. Когда поверхность жидкости соприкасается с зондом, прибор определяет точный момент контакта, регистрируя изменение силы на зонде. Таким образом, это положение будет обозначено как «нулевая глубина погружения». Затем пластина погружается на заданную глубину ниже этого значения (обычно на несколько мм вглубь поверхности раздела). Когда пластину позже возвращают на нулевую глубину погружения, регистрируют усилие. Сила, действующая на пластину Вильгельми, может быть записана как

F= γ _l Pcosθ,

, где γ _l — поверхностное натяжение жидкости, P — периметр пластины (P=2w + 2t), θ — контактный угол между пластиной и жидкость. Поскольку предполагается полное смачивание, краевой угол равен 0, а Cosθ = 1. Поверхностное натяжение может быть рассчитано как режим, при котором пластина Вильгельми остается в контакте с жидкостью в течение всего цикла измерения.

Платиновый стержень

Оба вышеупомянутых подхода требуют использования относительно большого количества жидкости (обычно более 10 миллилитров) для обеспечения полного смачивания зонда. Можно использовать сосуд для проб меньшего диаметра, чтобы уменьшить требуемый общий объем. Однако есть предел. Когда края сосуда для образца и зонда расположены слишком близко друг к другу, на баланс может повлиять мениск, который образуется между жидкостью и краем сосуда. Чтобы избежать этой проблемы, пользователь должен оставить достаточно места между зондом и боковой стенкой контейнера для проб, примерно 2 мм.

Как и в случае любого из этих методов, точность измерения зависит от точности измерения геометрии зонда. Точность измерения платинового стержня, вероятно, будет меньше, чем у кольца Дю Нуи или пластины Вильгельми, что приводит к большим ошибкам в результатах поверхностного / межфазного натяжения. Таким образом, подход с платиновым стержнем рекомендуется только в том случае, если объем образца ограничен. Метод и расчеты основаны на том же принципе, что и метод пластин Вильгельми.

Как измерить поверхностное натяжение

Сила притяжения молекул, присутствующих на поверхности жидкости, по отношению друг к другу называется поверхностным натяжением этой жидкости.

Это может показаться мелочью (и с точки зрения массы она не намного меньше, чем несколько верхних молекулярных слоев, составляющих поверхность жидкости или твердого тела), но силы притяжения, притягивающие эти молекулы по отношению друг к другу, радикально влияют на производственные процессы. Эти силы — невидимый клей, скрепляющий современное производство, простите за буквальный каламбур.

Существует множество вещей, которыми необходимо управлять и контролировать, чтобы производственный процесс производил надежные и высокопроизводительные продукты. Многие из этих вещей строго контролируются и имеют долгую историю изучения, измерения и размышлений. Однако есть и другие, которые полностью упускаются из виду из-за непонимания их важности и отсутствия инструментов для их измерения.

Химические законы определяют, насколько надежно и прочно жидкость, такая как клей, чернила или покрытие, будет прилипать к твердому телу. Измерение поверхностного натяжения является частью уравнения, позволяющего предсказать, насколько сильным и надежным будет это сцепление. Недостаточно просто знать, что научные принципы являются частью производственных процессов. Если у вас нет количественных оценок невидимых сил, таких как поверхностное натяжение или поверхностная энергия, то вы оставляете свой процесс уязвимым для производства некачественной продукции.

Правду говорят: нельзя управлять тем, что не измеряешь.

Эффективность соединения или покрытия, такого как краска на коммерческом авиалайнере, клей, удерживающий стеклянный сенсорный экран на телефоне, или полимерное покрытие на конце электрического шнура, защищающее спасательный аппарат ИВЛ от неисправности, зависит от химического свойства нескольких верхних молекулярных слоев на поверхности жидкостей и твердых тел.

Измерение силы притяжения между этими молекулами предлагает больше, чем просто еще одну точку данных в длинном списке точек данных, это предвидящий взгляд в будущее ваших продуктов. Прогностическая аналитика, основанная на этих измерениях молекулярного поведения, является страховым полисом от гарантийных требований, возвратов, отзывов и недовольных клиентов.

Почему важно поверхностное натяжение?

Поверхностное натяжение важно, потому что наш мир связан силами, которые притягивают молекулы друг к другу. Эти силы управляют тем, как вещества взаимодействуют с другими веществами, и самое основное взаимодействие между веществами происходит через их поверхности. Поверхностное натяжение влияет на то, как они ведут себя в этом взаимодействии. Силу притяжения между молекулами на этих поверхностях можно понять и контролировать, измеряя поверхностное натяжение или поверхностную энергию. Потому что, если мы собираемся понять и контролировать производственные процессы, нам нужно контролировать, как поверхности взаимодействуют друг с другом.

Чтобы узнать больше о том, как использовать измерения поверхностной энергии для создания более надежных продуктов, загрузите нашу бесплатную электронную книгу: Predictable Adhesion in Manufacturing Through Process Verification

Поверхностное натяжение — это измеряемая величина, которая говорит нам, насколько сильно притяжение между молекулами на поверхности жидкости. Химические характеристики, определяющие, насколько велико поверхностное натяжение вещества, влияют на другие характеристики этого вещества. Например, вещества с высоким поверхностным натяжением, как правило, имеют высокие температуры кипения: их нужно сильно нагревать, чтобы преодолеть межмолекулярное притяжение, чтобы разбить их на части и образовать пар или пар.

Зная поверхностное натяжение вещества, вы можете глубже понять, а также контролировать поведение этого вещества в процессе адгезии.

Поверхностное натяжение и температура

На поверхностное натяжение вещества влияет множество факторов. На самом деле все, что влияет на притяжение между молекулами, влияет на поверхностное натяжение.

Температура — одна из многих переменных, которые могут вызывать изменение поверхностного натяжения, но по сравнению с другими переменными она оказывает относительно незначительное влияние. Молекулярная структура или состав вещества имеет гораздо большее значение, чем температура. Поверхностное натяжение 99%+ в зависимости от химического состава молекул, присутствующих в верхних 1-5 молекулярных слоях поверхности вещества. Для сравнения, температура оказывает незначительное влияние на поверхностное натяжение.

Температура оказывает гораздо более существенное влияние на вязкость жидкостей, чем на поверхностное натяжение. Вязкость — это мера сопротивления потоку или, точнее, насколько трудно перемещать молекулы жидкости друг относительно друга. Вязкость не является мерой того, насколько сильно эти молекулы притягиваются друг к другу или к другим молекулам.

Факторы, влияющие на поверхностное натяжение

Итак, давайте поговорим подробнее о молекулярном составе поверхностей, так как они имеют такое огромное влияние на поверхностное натяжение.

Жидкость может быть однокомпонентным веществом (т. е. гомогенной группой одинаковых молекул) или многокомпонентным веществом (т. е. состоять из смеси различных веществ, поэтому молекулы не одинаковы). Итак, если вы пытаетесь определить поверхностное натяжение однокомпонентной жидкости, оно зависит только от молекулярной структуры этой жидкости, поскольку она состоит из одних и тех же веществ. Если вы имеете дело с многокомпонентной жидкостью, поверхностное натяжение зависит от структуры и количества отдельных компонентов, составляющих жидкость.

В производственных процессах обычно используются многокомпонентные вещества, такие как чернила, краски или смеси расплавленных полимеров.

Важно отметить, что поверхностное натяжение не обязательно является суммой поверхностных натяжений каждого компонента. Например, если в вашей жидкости содержится 75 % компонента А и 25 % компонента В, вы не просто используете средневзвешенное значение поверхностного натяжения обоих веществ, чтобы получить поверхностное натяжение всей жидкости. Дело не столько в количестве компонентов, сколько в химических характеристиках. Различные молекулы имеют разные химические свойства, которые влияют на то, насколько они привлекательны друг для друга и молекул других веществ.

Поверхностное натяжение в действительности определяется тем, как молекулы располагаются на поверхности жидкости. И именно их химические свойства влияют на то, как они устроены. Если у вас есть компоненты, которые сильно взаимодействуют друг с другом, молекулы могут влиять друг на друга таким образом, что изменяется относительное количество и ориентация молекул на поверхности. Результатом является изменение общего поверхностного натяжения, которое трудно предсказать.

Динамическое измерение поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение является статическим свойством, однако его можно изменять и управлять им, изменяя химические свойства молекул на поверхности жидкости. Например, вы можете добавить в чернила немного поверхностно-активного вещества, чтобы изменить поверхностное натяжение и заставить его растекаться по поверхности твердой бумаги.

Динамическое поверхностное натяжение относится к измерению и пониманию того, как изменения, которые вы вносите в общий состав жидкости, влияют на поверхностное натяжение этой жидкости. Например, сразу после добавления в воду небольшого количества (скажем. 0,1%) поверхностно-активного вещества состав поверхности воды изменится всего на 0,1%, и мы вряд ли сможем измерить изменение поверхности. напряжение. Однако через секунду или две, когда молекулы ПАВ получили возможность диффундировать к поверхности, поверхностная концентрация ПАВ теперь может быть близка к 100%, и мы зафиксируем большое падение поверхностного натяжения. Если мы затем взболтаем воду, мы можем разрушить поверхность и уменьшить концентрацию молекул поверхностно-активного вещества на ней, увеличив поверхностное натяжение обратно до исходного значения. Использование измерений поверхностного натяжения для управления производством в этой ситуации требует знания его реакции на смешивание: измерения должны выполняться динамически, то есть с учетом зависимости от времени и смешивания. Это очень важно при производстве продуктов, содержащих поверхностно-активные вещества, такие как поверхностно-активные вещества и смачивающие вещества.

Измеритель поверхностного натяжения

Для измерения поверхностного натяжения в различные моменты жизни жидкости используется измеритель поверхностного натяжения для непосредственного измерения поверхностного натяжения жидкости. Важно отметить, что поверхностное натяжение жидкости можно измерить напрямую, но поверхностное натяжение твердого тела (или его поверхностную энергию) нельзя измерить напрямую. В обоих случаях измерение поверхностного натяжения или поверхностной энергии связано с пониманием и контролем поверхностей жидкостей и твердых тел, чтобы они образовывали прочные связи при взаимодействии друг с другом.

Поверхностное натяжение легко измерить с помощью широко используемого метода максимального давления пузырьков, весов Вильгельми или кольцевого тензиометра Дю Нуи.

Поверхностное натяжение может контролироваться динамически

Поверхностное натяжение является критически важным параметром в производстве, и доступные датчики позволяют относительно просто выполнять хорошую работу по измерению и управлению поверхностным натяжением их продуктов.

Одной из причин такого уровня контроля является простота измерения динамического поверхностного натяжения. Они могут без особого труда собирать данные в режиме реального времени и реагировать на изменения поверхностного натяжения путем соответствующей корректировки рецептуры или температуры. Это означает, что в дальнейшем в процессе не будет никаких сюрпризов из-за неконтролируемого поверхностного натяжения. Клеи, краски и покрытия обычно производятся с автоматическим и точным контролем их поверхностного натяжения.

Однако остается открытой другая часть уравнения межфазной связи. В то время как поверхностное натяжение клея или покрытия хорошо контролируется, как вы осуществляете аналогичный контроль над поверхностной энергией твердого тела, к которому вам нужно приклеиться?

Как мы уже говорили ранее, мы можем проводить измерения, которые не являются прямыми измерениями поверхностной энергии, но напрямую коррелируют с поверхностной энергией. Мы можем использовать наше понимание поверхностного натяжения, чтобы быстро и точно измерить, как жидкость реагирует на твердую поверхность, и на основе этого измерения мы можем сделать прогнозный вывод об уровне поверхностной энергии этого твердого тела.

Звучит сложно, но на самом деле все очень просто. А раз мы можем легко проводить это измерение, то мы можем легко контролировать поверхностную энергию твердых тел и прогнозировать прочность и надежность межфазных связей в производственных процессах.

Какая связь между поверхностным натяжением жидкости и поверхностным натяжением твердого тела?

Когда жидкость вступает в контакт с твердым телом, она либо собирается в капли, либо растекается. Мы постоянно видим это в реальном мире, когда дождевая вода капает на вощеную машину или вода из посуды скатывается широкими полосами с чистой тарелки. Это взаимодействие определяется взаимодействием между факторами, определяющими поверхностное натяжение жидкости, и факторами, определяющими поверхностную энергию твердого тела.

Если мы знаем поверхностное натяжение жидкости, то можем использовать эту информацию для определения поверхностной энергии твердого тела. Измеряя поведение капли жидкости на твердой поверхности, мы можем использовать корреляцию этого измерения с поверхностной энергией твердого тела, чтобы получить уровень контроля над процессами, которые подготавливают, обрабатывают и очищают поверхности для склеивания. t было достигнуто в производственных условиях раньше.

Для надежной и предсказуемой адгезии необходимо контролировать три момента:

Состав и химические характеристики клея, чернил, краски или покрытия
Качество склеиваемой твердой поверхности по
Процесс нанесения и отверждения клея, чернил, краски или покрытия.

Факторы два и три очень хорошо изучены и контролируются на производстве. Второй фактор, качество поверхности, плохо контролируется в большинстве производственных операций, часто из-за того, что его недооценивают, а инструменты для удобного измерения свойств поверхности относительно новы. В результате изменчивость и непредсказуемость процессов, зависящих от адгезии одного материала к другому, остаются неконтролируемыми.

Когда дело доходит до этого, производители могут положиться на составителей рецептур своих клеев и покрытий для надлежащего измерения и контроля поверхностного натяжения. Чего они не должны делать, так это оставлять на волю случая качество (то есть чистоту или уровень обработки) своих поверхностей.