Исследовательская работа по теме " Исследование зависимости поверхностного натяжения от температуры и концентрации"

Комитет по образованию  Администрации

Поспелихинского района

Алтайского края

МКОУ  «Факел Социализма средняя общеобразовательная школа»

Районный конкурс для одарённых школьников и молодёжи

«Продвижение»

Направление:  физика, астрономия, техника

Секция:1

Исследование  коэффициента

 поверхностного натяжения жидкостей

от температуры и концентрации

                                                                Автор: Сахно Денис Евгеньевич,

ученица 10 класса

МКОУ  «Факел Социализма СОШ»

                        Научный руководитель: Сокольцова  Ирина    

Леонидовна, учитель физики,                                                                  

                                                                      МКОУ «Факел Социализма СОШ»

Алтайский край

Поспелихинский район

п. Факел Социализма

2016 год

                                                             Оглавление:

Введение..............................................................................................................3-4

Глава 1. Коэффициент поверхностного натяжения

1.1. Поверхностное натяжение     …. ………………..……………………...5-6

1.2. Коэффициент поверхностного натяжения …………………………........7

1.3.  Методы определения поверхностного натяжения……………………...8

Глава 2. Экспериментальная часть 

2.1.  Определение коэффициента поверхностного натяжения воды

          при различных значениях температуры………………………………..9

2.2.  Определение коэффициента поверхностного натяжения растворов синтетических моющих средств при разных температурах и концентрации................................................................................................10

Заключение...........................................................................................................11

Список источников и литературы..................................................................12

Приложения …..............................................................................................13-14.

Введение

Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма и нас самих. Например, в медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением.  Считается, что организму более полезна «жидкая» вода, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения. Вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. В наше время очень большое значение для практического применения имеют свойства и качества воды, синтетических моющих средств.

Актуальность – удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкости в природе, технике и быту. Поверхностное натяжение играет важную роль и в жизни человека.  В повседневной жизни с этим явлением мы сталкиваемся очень часто, но, мало об этом знаем, либо ничего. Поэтому эта тема нами выбрана не случайно

Объект исследования –  свойства поверхностного слоя жидкости.

Предмет исследования – коэффициент    поверхностного натяжения жидкости.

 Цель – исследовать зависимость поверхностного натяжения жидкостей от температуры и концентрации примесей.

Задачи:

Ø Углублённое изучение явления поверхностного натяжения;

Ø Ознакомиться с  методами определения коэффициента поверхностного натяжения  жидкостей;

Ø Опытным путем установить зависимость коэффициента  поверхностного   воды от температуры и растворов синтетических    моющих средств   от концентрации и температуры;

Ø Проанализировать и сделать выводы.

Методы исследования

Ø изучение литературы по определению коэффициента поверхностного натяжения  и о методах его определения;

Ø практический метод;

Ø аналитический метод.

Практическая значимость – ясности в вопросе о происхождении поверхностного натяжения в настоящее время нет и что этот вопрос, нуждается не только в теоретической, но и практической разработке.  Материал, изученный нами можно применять на уроках физики и химии в лабораторном практикуме, а также в быту. 

Глава 1. Коэффициент поверхностного натяжения

1.1. поверхностное натяжение

Вы, вероятно, неоднократно видели на водоемах водомерок – насекомых, бегающих по воде. Если внимательно приглядеться, то можно увидеть, что поверхность воды под их лапками немного прогибается. Создается впечатление, что лапка лежит на упругой пленке, прогнувшейся под иглой. Чтобы объяснить, почему поверхностный слой подобен растянутый упругой пленке, рассмотрим молекулу, находящуюся на поверхности жидкости и внутри нее. Жидкости, так же как и твердые тела, обладают большой объемной упругостью, т. е. сопротивляются изменению своего объема, но, как и газы, не обладают упругостью формы. Жидкость, налитая в сосуд, заполняет его и принимает форму сосуда. Действие силы тяжести прижимает жидкость ко дну сосуда, а свободная поверхность жидкости устанавливается горизонтально. Над поверхностью жидкости находятся насыщенный пар и газообразный воздух. Таким образом, объем жидкости оказывается ограниченным стенками сосуда и газом. При этом условия, в которых молекулы жидкости находятся на границах раздела, будут отличаться от условий внутри объема жидкости.

На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения соседних молекул, окружающих ее со всех сторон (см. рис.1 приложение №1).   Равнодействующая этих сил равна нулю. Равнодействующая же сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, не равна нулю (так как над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше, чем плотность жидкости) и направлена внутрь жидкости (см. рис.2 приложение №1).  Под действием этой силы молекулы поверхностного слоя стремятся втянуться внутрь жидкости, число молекул на поверхности уменьшается, и площадь поверхности сокращается. Но все молекулы, разумеется, не могут  уйти вовнутрь. На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности оказывается минимальной.

Если поверхность жидкости ограничена периметром смачивания, то поверхностное натяжение можно рассматривать как силу, действующую на единицу длины периметра смачивания и направленную перпендикулярно к этому периметру.

С ростом температуры взаимодействие молекул жидкости несколько ослабляется, так как при увеличении кинетической энергии молекул жидкость «разрыхляется» и среднее расстояние между молекулами возрастает. На тот факт, на который  впервые указал Д. И. Менделеев в     1860 г., для большинства жидкостей поверхностное натяжение падает с температурой практически линейно.

Кроме температуры и толщины слоя, на величину поверхностного натяжения жидкости существенно влияют растворенные в малых количествах  примеси. Растворенные молекулы будут вытесняться на поверхность жидкости, и одновременно будут понижать поверхностное натяжение раствора.

1.2.Коэффициент поверхностного натяжение

Коэффициент     является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения ( > 0). Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. Очевидно, в системе СИ  имеет размерность Дж/м².

Поверхностное натяжение измеряется силой, с которой поверхностный слой действует на единицу длины того или иного контура на свободной поверхности жидкости по касательной к этой поверхности  δ=.  

В данном случае единицей поверхностного натяжения в СИ будет 1 Н/м, что не противоречит уже названной единице: Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и от ее температуры: с повышением температуры оно уменьшается. Так называемые поверхностно-активные вещества (мыло, жирные кислоты) также уменьшают поверхностное натяжение.

Чем более высокой будет температура, тем меньшим будет значение σ для чистых жидкостей. Следствием асимметричности сил молекулярного взаимодействия переходного слоя с молекулами, которые их окружают, является представление о существовании нормальных и тангенциальных сил по отношению к поверхности раздела фаз. Эти силы оказывают значительное воздействие на молекулы переходного слоя. Именно они являются силами молекулярного давления и поверхностного натяжения между фазами

 Коэффициент поверхностного натяжения напрямую связан с силами молекулярного взаимодействия и может принимать самые разнообразные значения для различных жидкостей. У жидкостей, которые очень хорошо испаряются (спирт, бензин, эфир), показатель поверхностного натяжения не такой большой, как у жидкостей, не являющихся летучими.

1.3.Методы определения поверхностного натяжения

Существующие методы определения поверхностного натяжения делятся на три группы: статические, полустатические и динамические.

Статические методы:

Статическими методами определяется поверхностное натяжение практически неподвижных поверхностей, образованных задолго до начала измерений и поэтому находящихся в равновесии с объемом жидкости.

ü Метод поднятия в капилляре

ü метод уравновешивания пластинки (метод Вильгельми). 

ü Метод лежачей капли

ü Метод определения по форме висячей капли.

ü Метод вращающейся капли

Динамические методы:

Динамические методы основаны на том, что некоторые виды механических воздействий на жидкость сопровождаются периодическими растяжениями и сжатиями ее поверхности, на которые влияет поверхностное натяжение. Этими методами определяется неравновесное значение σ.

ü Метод дю Нуи (метод отрыва кольца).

ü Сталагмометрический, или метод счета капель.

ü Метод максимального давления пузырька.

ü Метод осциллирующей струи

ü Метод стоячих волн

ü Метод бегущих волн

Полустатические методы:

Полустатическими называются методы определения поверхностного натяжения границы раздела фаз, возникающей и периодически обновляемой в процессе измерения (метод максимального давления пузырька и сталагмометрический метод), а также методы отрыва кольца. Эти методы позволяют определить равновесное значение поверхностного натяжения, если измерения проводятся в таких условиях, что время, в течение которого происходит формирование поверхности раздела, значительно больше времени установления равновесия в системе.

ü метод наибольшего давления

ü метод отрыва кольца от поверхности жидкости

ü методы взвешивания и счета капель (сталагмометрия). 

Глава 3. Экспериментальная часть

Используя метод  отрыва петли, мы исследовали зависимость коэффициента  поверхностного натяжения воды от  температуры

δ=.   (приложение 2)

2.1.Коэффициент поверхностного натяжения воды от температуры.

Таблица №1

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
t 0C	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75	80
F,мН	9,4	8,4	7,8	7,5	7,3	6,8	6,4	5,6	5,2	4,8	4,4	4,2	4,0	3,6
, мН/м	74	65	60	58	56	52	49	43	40	37	34	32	30	28

С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения воды уменьшается, а также   связан с тем, что, сколько примесей находится в ней.   

2.2. Коэффициент  поверхностного натяжения растворов синтетических моющих средств

                                                                                                             Таблица №2

 

По  данной таблице наблюдаются  некоторые закономерности: при увеличении концентрации у порошков-автоматов поверхностное натяжение возрастает, если же концентрацию оставлять неизменной, а изменять только температуру раствора, то следует сказать, что коэффициент поверхностного натяжения растворов уменьшается. При повышении температуры ослабляется межмолекулярное взаимодействие жидкости и растёт плотность насыщенного пара. Отсюда можно сделать вывод: чем выше температура, тем меньше коэффициент поверхностного натяжения, тем раствор лучше проникает в ткань. Значит, СМС с меньшим коэффициентом лучше стирают. То есть использование стиральных порошков позволяет не доводить раствор до кипения, что способствует экономному расходованию энергии и меньшему загрязнению использованной воды.

Заключение:

Ø    Углубленно познакомились с явлениями поверхностного натяжения жидкостей, использую информацию  с интернета, учебников и других источников .

Ø    Ознакомились с статическими, динамическими, полустатическими методами определения коэффициента поверхностного натяжения.

Ø    Экспериментально определили коэффициент поверхностного натяжения воды при разных температурах  и синтетических моющих средств при различных концентрациях. В процессе исследования установлено, что при повышении температуры растворов одинаковой концентрации поверхностное натяжение почти не изменяется: оказывается, при увеличении концентрации у порошков-автоматов поверхностное натяжение возрастает. Если же концентрацию оставлять неизменной, а изменять только температуру раствора, то следует сказать, что при разной константе растворы ведут себя по-разному: в одном случае поверхностное натяжение возрастает, а в другом – убывает.  Использование стиральных порошков позволяет не доводить раствор до кипения, что способствует экономному расходованию энергии и меньшему загрязнению использованной воды.

Ø      Данный метод считается неточным методом, значит, существует небольшая погрешность в измерение силы поверхностного натяжения, и следовательно  в определение коэффициента поверхностного натяжения.

 Список литературы

1.   З.Г.Абрамович, Т.О.Мовшевич «Курс общей физики»; М., «Наука», 1974.

2.   Буров В.А., Дик Ю.И., Зворыкин Б.С. и др. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7 – 11 классах общеобразовательных учреждений: Кн. Для учителя. – М.: Просвещение, 1996.

3.   Бутырский Г.А., Сауров Ю.А. Экспериментальные задачи по физике: 10 – 11 кл.: Кн. Для учителя. – М.: Просвещение, 1998.

4.   Волков, В. А. Поурочные разработки 10 класс. [Текст] / В. А. Волков. – М.: Вако,2006..

5.   Кабардин О. Ф. Физика. Справочные материалы. [Текст] / О. Ф. Кабардин. – М.: «Просвещение»,1991.

6. http://www.fos.ru/fisika/12130.html

7. http://fizportal.ru/method-capillary

8. http://www.stu.lipetsk.ru/files/materials/1680/colloid_labs.pdf

Приложение №1

1.

2.   

3.       

         

Приложение №2

δ₁ =           δ₂ =

δ₃ =       δ₄ =

δ₅ =           δ₆ =

δ₇ =           δ₈ =

δ₉ =           δ₁₀ =

δ₁₁ =           δ₁₂ =

δ₁₃ =           δ₁₄ =