Молекулярная картина поверхностного слоя кратко

Обновлено: 07.07.2024

Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед

Рис. 3.5.2 иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H₂O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом . Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. В отличие от рис. 3.5.1, где молекулы воды изображены в виде шариков, рис. 3.5.2 дает представление о структуре молекулы воды.

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах. Например, для изменения объема воды на 1 % нужно увеличить давление приблизительно в 200 раз. Такое увеличение давления по сравнению с атмосферным достигается на глубине около 2 км.

Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема пропорционально изменению температуры :

Коэффициент называют температурным коэффициентом объемного расширения . Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел. У воды, например, при температуре 20 °С , у стали , у кварцевого стекла .

Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры (). Максимум плотности вода имеет при температуре 4 °С.

При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому жизнь может существовать в воде замерзающих водоемов.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности . Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Поверхностные молекулы силами межмолекулярного притяжения втягиваются внутрь жидкости. Но все молекулы, в том числе и молекулы пограничного слоя, должны находиться в состоянии равновесия. Это равновесие достигается за счет некоторого уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости. Как видно из рис. 3.1.2, при уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания. Если среднее расстояние между молекулами внутри жидкости равно ₀, то молекулы поверхностного слоя упакованы несколько более плотно, а поэтому они обладают дополнительным запасом потенциальной энергии по сравнению с внутренними молекулами (см. рис. 3.1.2). Следует иметь ввиду, что вследствие крайне низкой сжимаемости наличие более плотно упакованного поверхностного слоя не приводит к сколь-нибудь заметному изменению объема жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу , пропорциональную изменению площади поверхности:

Коэффициент называется коэффициентом поверхностного натяжения (). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу .

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный () или в ньютонах на метр ().

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения .

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму – в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 3.5.3).

Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу Если под действием силы перекладина переместится на , то будет произведена работа , где – приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил и одинаковы, можно записать:

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность .

Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление . Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе разреза длиной и сил избыточного давления, действующих на площадь сечения (рис. 3.5.4). Условие равновесия записывается в виде

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом , характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол называется краевым углом . Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол оказывается тупым (рис. 3.5.5). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании , при полном несмачивании .

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах . Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.

На рис. 3.5.6 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса , опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности . Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: , где , .

При полном смачивании , . В этом случае

При полном несмачивании , и, следовательно, . Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Здесь обнаруживается, что происхождение поверхностных сил совсем иное, чем упругих сил растянутой резиновой пленки. При сокращении резины сила упругости ослабевает. Силы же поверхностного натяжения никак не меняются по мере сокращения площади поверхности пленки, так как плотность жидкости, а следовательно, и среднее расстояние между молекулами на поверхности не меняются.

Таким образом, возникновение поверхностных сил нельзя объяснить столь просто и наглядно, как возникновение сил упругости, где все связано с изменением расстояний между молекулами. Здесь все сложнее, так как силы поверхностного натяжения проявляются при сложной перестройке формы всей жидкости без изменения ее объема.

Молекулярная картина поверхностного слоя

Поверхность раздела между жидкостью и газом представляет собой не геометрическую линию, а слой малой (в несколько молекулярных диаметров) толщины.

Молекулы у поверхности раздела двух сред находятся в иных условиях, чем молекулы в глубине жидкости. Молекулу в глубине жидкости окружают со всех сторон соседние молекулы. Молекула же поверхности жидкости подвергается воздействию только молекул, находящихся внутри жидкости. Плотность пара при температурах, далеких от критической, много меньше плотности жидкости. Поэтому силами взаимодействия молекулы у поверхности с молекулами пара можно пренебречь.

В результате действия молекулярных сил притяжения и отталкивания плотность жидкости в поверхностном слое оказывается меньше, чем в глубине. В самом деле, на молекулу 1 (рис. 7.10) действует сила отталкивания F₂ со стороны молекулы 2 и сила притяжения со стороны всех остальных молекул (3,4, 5. ). На молекулу 2 действуют сила притяжения со стороны лежащих в глубине молекул и две силы отталкивания: со стороны молекулы 3 и со стороны молекулы 1. Так как сила F3 уравновешивает сумму сил итоF₃ > F₁

Но сила отталкивания, действующая между молекулами, тем больше, чем ближе друг к другу расположены молекулы. Поэтому расстояние 1—2 в среднем больше расстояния 2—3. Аналогично легко установить, что расстояние 2—3 больше расстояния 3—4 и т. д., пока не перестанет сказываться близость молекулы к поверхности.

Молекулы поверхностного слоя находятся в среднем на больших расстояниях друг от друга, чем молекулы внутри жидкости. Жидкость в поверхностном слое находится в растянутом, напряженном состоянии.

Жидкость в поверхностном слов растянута, и потому вдоль поверхности действует сила, стремящаяся сократить эту поверхность.

Работа содержит 1 файл

Молекулярная картина поверхностного слоя.docx

Молекулярная картина поверхностного слоя

Можно понять причину, заставляющую поверхность жидкости сокращаться, если представить себе, в каких условиях находятся молекулы поверхностного слоя жидкости.

Происхождение сил поверхностного натяжения

Молекулярная картина поверхностного слоя

В результате действия молекулярных сил притяжения и отталкивания плотность жидкости в поверхностном слое оказывается меньше, чем в глубине. В самом деле, на молекулу 1 (рис. 2) действует сила отталкивания F₂ со стороны молекулы 2 и сила притяжения со стороны всех остальных молекул (3, 4, 5. ). На молекулу 2действуют сила притяжения со стороны лежащих в глубине молекул и две силы отталкивания: со стороны молекулы 3 и со стороны молекулы 1. Так как сила F3 уравновешивает сумму сил и то F₃ > F₁

В окружающем нас мире существуют силы, действие которых мы ощущаем ежедневно – силы тяготения, упругости и трения. Но есть ещё одна сила, на которую обычно мало или совсем не обращают внимания. Она сравнительно невелика, её работа никогда не вызывает мощных эффектов. Тем не менее мы ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, которые являются предметом нашего исследования. Это силы поверхностного натяжения.

С поверхностным натяжением жидкости мы сталкиваемся изо дня в день: отдельные капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной. (При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими не было бы, как показывает теория, и радуги); струя воды из-под крана стремится к цилиндрической форме; многие насекомые могут скользить по поверхности воды – любой может вспомнить множество подобных примеров из жизни.

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Янош Андраш Сегнер в 1752 году. Во второй половине XIX века Джозайя Уиллард Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. В XX веке разрабатываются методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов. В 1983 году было доказано теоретически и подтверждено данными из справочников, что понятие поверхностного натяжения жидкости однозначно является частью понятия внутренней энергии. Среди современных актуальных проблем – развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей, включая расплавленные металлы.

Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма. Поэтому очень важным шагом в науке стало открытие методов измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

Гипотеза. В жидкостях существует поверхностное натяжение. Коэффициент поверхностного натяжения реально измерить в лабораторных условиях. Его значение зависит от рода жидкости, её температуры и наличия примесей.

Цель. Исследовать явление поверхностного натяжения жидкостей и опытным путём измерить коэффициент поверхностного натяжения.

1. Изучить структуру жидкости на молекулярном уровне, понять, чем вызвано явление поверхностного натяжения;

2. Провести опыты, подтверждающие на практике существование силы поверхностного натяжения;

3. Вывести формулы нахождения силы и коэффициента поверхностного натяжения жидкости;

4. Познакомиться с методами измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости;

5. Используя доступный метод, опытным путём измерить коэффициент поверхностного натяжения различных жидкостей и узнать, от чего он зависит;

6. Оформить результаты исследований в виде таблиц и графика.

• Эксперимент (серия опытов);

• Индуктивные и дедуктивные методы;

Молекулярная картина поверхностного слоя жидкости

С точки зрения современной физики, жидкости являются наиболее сложным предметом исследований, потому что по сравнению с газами уже нельзя говорить о пренебрежимо малой энергии взаимодействия между молекулами, а по сравнению с твердыми телами нельзя говорить об упорядоченном расположении молекул жидкости. Это приводит к тому, что жидкости обладают рядом интересных свойств и их проявлений.

Молекулы у поверхности раздела двух сред находятся в иных условиях, чем молекулы в глубине жидкости. Молекулу в глубине жидкости окружают со всех сторон соседние молекулы (равнодействующая равна нулю). Молекула же поверхности жидкости подвергается действию силы притяжения, во-первых, со стороны других молекул, находящихся внутри жидкости, а во-вторых, со стороны молекул газа, концентрация которых в обычных условиях много меньше концентрации молекул жидкости. Поскольку со стороны жидкости на нее действует гораздо больше молекул, то равнодействующая всех межмолекулярных сил будет направлена внутрь жидкости.

В результате действия молекулярных сил притяжения и отталкивания, плотность жидкости в поверхностном слое оказывается меньше, чем в глубине. Молекулы поверхностного слоя находятся в среднем на больших расстояниях друг от друга, чем молекулы внутри жидкости. Жидкость в поверхностном слое находится в растянутом, напряженном состоянии. Молекулы поверхности обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией, которой эти молекулы обладали бы, находясь внутри жидкости, а любая механическая система стремится к устойчивому равновесию, связанному с минимумом потенциальной энергии. Поэтому поверхностный слой производит на жидкость молекулярное давление. Под действием сил молекулярного давления молекулы, если могут, переходят из поверхностного слоя в глубь жидкости и поверхность её становится минимальной для данных условий (на Земле вода в сосуде имеет горизонтальную поверхность под действием сил тяжести).

Действием сил молекулярного давления можно объяснить малую сжимаемость жидкости – она уже сжата значительными силами. Эти силы не передаются по закону Паскаля, действуя только на молекулы жидкости, а не на погруженные в нее тела. Молекулы жидкости располагаются друг от друга на расстояниях, немного меньших двух радиусов молекул, поэтому силы отталкивания компенсируют давление поверхностного слоя.

Промежуточный вывод: силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить её до минимума, называют силой поверхностного натяжения.

Силы поверхностного натяжения максимальны у поверхности жидкости и постепенно уменьшаются до нуля на глубине, равной радиусу молекулярного действия.

Опыты, подтверждающие существование сил поверхностного натяжения

В существовании этой силы можно убедиться, проделав несколько опытов:

1. Пусть свободно расположенная нить находится на мыльной пленке. Силы поверхностного натяжения, приложенные у нити, уравновешиваются, и их сумма, действующая на любой элемент нити, равна нулю. Прорвём пленку под нитью. Тогда под действием сил поверхностного натяжения нить примет положение 2.

Промежуточный вывод: существование сил, параллельных поверхности жидкости и уменьшающих её площадь, экспериментально подтверждается.

Вывод формул для нахождения силы и коэффициента поверхностного натяжения

Молекулы на всех участках поверхностного слоя жидкости находятся в одинаковых условиях, и два участка одинаковой площади обладают одинаковой поверхностной энергией. Следовательно, избыточная потенциальная энергия Uп поверхностных молекул жидкости прямо пропорциональна поверхности жидкости S. Отношение Uп/S постоянно и равно коэффициенту поверхностного натяжения σ. Таким образом, с энергетической точки зрения, коэффициент поверхностного натяжения – это удельная поверхностная энергия. В СИ поверхностное натяжение выражается в Дж/м2, так как 1 Дж = 1 Н·м, то поверхностное натяжение можно выражать в Н/м.

Влияние поверхностной энергии существенно для небольших масс жидкостей (V/S мало), в том числе для тонких жидких плёнок.

Возьмём проволочный каркас abcd с подвижным ребром и окунем его в мыльную воду. При извлечении каркаса из раствора в нём останется натянутой тончайшая мыльная пленка. Передвинем нижнее подвижное ребро на некоторое расстояние Δx, как это показано пунктиром.

Для равновесия проволоки необходимо, чтобы , где – сила поверхностного натяжения, действующая на ребро со стороны одной из поверхностей плёнки. Следовательно, F1=2F.

Внешняя сила совершит работу

Согласно закону сохранения энергии, эта работа равна изменению энергии плёнки

Поскольку S₂ – S₁=l_Δx, где l – длина подвижной проволоки, то

Приравнивая правые части выражений (1) и (2), получим

Отсюда сила поверхностного натяжения, действующая на границу поверхностного слоя длиной l, равна

Методы измерения поверхностного натяжения

Существующие методы определения поверхностного натяжения делятся на две группы: статические и динамические. Статическими методами определяется поверхностное натяжение практически неподвижных поверхностей, образованных задолго до начала измерений и поэтому находящихся в равновесии с объемом жидкости. Динамические методы основаны на том, что некоторые виды механических воздействий на жидкость сопровождаются периодическими растяжениями и сжатиями ее поверхности, на которые влияет поверхностное натяжение.

• Метод поднятия в капилляре

• Метод отрыва капли

• Метод лежачей капли

• Метод определения по форме висячей капли.

• Метод вращающейся капли

• Метод дю Нуи (метод отрыва кольца).

• Сталагмометрический, или метод счета капель.

• Метод максимального давления пузырька.

• Метод осциллирующей струи.

• Метод стоячих волн.

• Метод бегущих волн.

В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами. Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения. Например, для раствора мыла после перемешивания поверхностное натяжение 58 мН/м, а после отстаивания – 35 мН/м. То есть поверхностное натяжение меняется. До установления равновесного оно будет динамическое.

Наиболее простой способ определения коэффициента поверхностного натяжения – это метод отрыва капель.

Метод 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 Fт преодолевает силу Fп поверхностного натяжения, действующую по периметру шейки капли. В момент равновесия перед отрывом капли Fт =Fп=2πrσ, где радиус шейки капли приравнивается внутреннему радиусу r трубки. Отсюда σ = Fт/2πr. Используемый при этом прибор называется сталагмометром и представляет собой стеклянную трубку с расширением в середине и с узким канальцем на конце. Измерения проводятся сравнительно для дистиллированной воды (72,5 мН/м) и исследуемой жидкости.

В диагностических целях, например, определяют коэффициент поверхностного натяжения мочи, который в норме составляет 70 мН/м и при наличии в моче желчных пигментов значительно снижается.

Применяют также метод отрыва кольца (метод дю Нуи), который основан на измерении силы Fп, необходимой для отрыва тонкого кольца К, касающегося торцом поверхности жидкости и удерживающегося силой поверхностного натяжения, действующей по внешнему (радиусу r2) и внутреннему (радиусу r1) периметрам кольца К: Fп=2πσ(r1+r2), откуда σ=Fп/2π(r1+r2). Определение силы Fп удобно делать с помощью торзионных весов Т, к рычажку Р которых подвешено кольцо К, а жидкость находится в стаканчике С на подставке П. Из показания весов необходимо вычесть вес самого кольца.

Метод Ребиндера (метод определения максимального давления в пузырьке).

В исследуемую жидкость 1, находящуюся в сосуде, вертикально опускается капиллярная трубка 2, узкий конец которой диаметром не более 0,5 мм касается мениска исследуемой жидкости.

Другим концом эта трубка сообщается с атмосферным воздухом, поэтому внутри капилляра поддерживается атмосферное давление ро.

Давление р над исследуемой жидкостью постепенно уменьшают с помощью водяного насоса. Разность давлений (р_о - р) стремится выдуть пузырек воздуха из капилляра в жидкость, но этому противодействует добавочное давление

создаваемое силами поверхностного натяжения жидкости в образующемся пузырьке радиуса r и направленное к центру пузырька.

Наконец, при некоторой разности давлений (р_о - р) из капиллярной трубки выдувается в жидкость воздушный пузырек. Разность давлений (р_о - р), максимальная в этот момент, измеряется U-образным манометром и равна ρgh, где ρ - плотность жидкости в манометре, h - разность ее уровней. Таким образом, в момент выдувания пузырька имеет место равенство:

Здесь неизвестен радиус r выдуваемого пузырька, измерить который крайне затруднительно. Поэтому прибегают к использованию эталонной жидкости, коэффициент поверхностного натяжения σ_o которой известен и близок к коэффициенту поверхностного натяжения σ исследуемой жидкости. При этом полагают, что радиусы пузырьков, выдуваемых из одного и того же капилляра, в обоих случаях будут одинаковы.

Теперь вместо исследуемой жидкости в сосуд наливают эталонную жидкость и измеряют по манометру максимальную разность уровней h_o, при которой пузырек воздуха выдувается в эталонной жидкости и выполняется равенство:

Разделив уравнение (1) на (2) и решив относительно σ, получаем формулу для вычисления поверхностного натяжения исследуемой жидкости:

Рассмотренным методом можно определять поверхностное натяжение и на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей. В этом случае узкий конец капиллярной трубки должен касаться поверхности раздела этих жидкостей, но при этом следует обязательно учитывать гидростатическое давление ρ₁gН жидкости, расположенной сверху, толщина слоя которой равна Н, а плотность - ρ₁.

Промежуточный вывод: существует множество методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей. Некоторые из них удобнее использовать на производстве, другие в лаборатории. Одним из наиболее простых и доступных считается метод определения поверхностного натяжения при помощи динамометра типа ДПН.

Читайте также: