Pomiar napięcia powierzchniowego metodą odrywania
1.Teoria kinetyczno - molekularna budowy cieczy ze szczególnym uwzględnieniem sił oddziaływania międzycząsteczkowego.
Łatwość przelewania cieczy świadczy o łatwej przesuwalności jednych cząsteczek względem drugich, nie oznacza jednak braku sił międzycząsteczkowych (molekularnych). Siły takie, aczkolwiek nieznacznie, istnieją i w pewnych przypadkach ujawniają swe działanie. Zasięg działania tych sił jest bardzo mały, rzędu 5*10-4 cm.
Pomiędzy drobinami cieczy działają siły van der Waalsa , zwane również siłami spójności. Ich
wielkość zależy od odległości r pomiędzy drobinami.
C1 C2
F = ___ + ___
r n r m
gdzie C1 i C2 są stałymi a „n” i „m” spełniają nierówność n<m , co w rzeczywistości oznacza,
że siły odpychające (drugi składnik równania), maleją wraz z odległością szybciej od przyciągających (składnik pierwszy). Obydwa rodzaje sił maleją ze wzrostem odległosći r. Dla bardzo małych odległości przeważają siły odpychające, a dla większych - przyciągające.
Na każdą cząsteczkę działają inne, znajdujące się wewnątrz sfery działania. Siły te nazywamy siłami międzycząsteczkowymi lub molekularnymi.
Siła działań między cząsteczkami jest różna. Jeżeli cząsteczka znajduje się wewnątrz cieczy, wypadkowa działających na nią sił jest równa zeru (znoszą się wzajemnie). Natomiast na powierzchni cieczy lub też pod nią, cząsteczki poddawane są działaniu sił niezrównoważonych, skierowanych w głąb cieczy. Wypadkowa tych sił jest prostopadła do powierzchni i sprawia, że warstwa powierzchniowa wywiera na resztę cieczy ciśnienie molekularne pm (dla wody pm ≅
1700 at).
Oprócz tego ciśnienia warstewkę powierzchniową cieczy cechują siły molekularne leżące w płaszczyźnie tej warstewki. Siły te działają na cząsteczkę ze wszystkich stron - są to siły napięcia powierzchniowego.
2.Zjawisko napięcia powierzchniowego w cieczach.
Warstewkę powierzchniową cieczy cechują pewne siły molekularne .Siły te działają na cząsteczkę ze wszystkich stron - są to siły napięcia powierzchniowego. Jeśli na powierzchni cieczy poprowadzilibyśmy jakąkolwiek linię, to po obu jej stronach w płaszczyźnie powierzchniowej warstewki cieczy działają równoważące się siły napięcia powierzchniowego. Siłę działającą na jednostkę długości [1 m] po obu stronach tej linii oznaczamy przez σ.
Całkowitą siłę napięcia powierzchniowego F działającą po jednej stronie linii wyznacza zależność: F = σ*l.
Współczynnik σ = F / l [ N / m] nazywamy napięciem powierzchniowym cieczy.
Ma ono różną wartość dla różnych cieczy. Warstewka ,czyli błonka powierzchniowa cieczy pod wpływem sił napięcia powierzchniowego zachowuje się jak napięta błona gumowa, tzn. wykazuje tendencje do kurczenia się.
Napięcie powierzchniowe ma podwójne znaczenie:
• siłowe-wyraża się przyłożoną do 1m długości błonki σ = F/l
• energetyczne-oznacza energię potencjalną zmagazynowaną w 1m2 błonki powierzchniowej
Ep
σ = ____ gdzie Ep - energia potencjalna napięcia powierzchniowego
ΔS ΔS- powierzchnia o jaką powiększyła się błonka powierzchniowa podczas rozciągania.
Napięcie powierzchniowe zależy w znacznym stopniu od :
• rodzaju cieczy
• temperatury (w wysokim stopniu ),przy wzroście temperatury cząsteczek siły molekularne maleją i napięcie maleje.
Jednostką napięcia powierzchniowego jest [N * m -1]
3/4. Pomiar napięcia powierzchniowego, zasada działania wagi torsyjnej
Waga torsyjna w połączeniu ze strzemiączkiem Lenarda jest dobrym przyrządem do pomiaru napięcia powierzchniowego. Ciecz badaną nalewamy do małego naczynia, zanurzamy w niej strzemiączko a następnie naprężamy sprężynę wagi za pomocą dźwigni, tak, aby zrównoważyć ciężar zanurzonego strzemiączka. Odczytujemy wartość siły F1 . Teraz wyciągamy strzemiączko - a razem z nim błonkę powierzchniową cieczy - do góry, jednocześnie opuszczając naczynie z cieczą nieco w dół. Napinamy tym sposobem sprężynę do momentu gdy nastąpi zerwanie błonki i odczytujemy wartość siły F2. Siła całkowita F napięcia powierzchniowego jest równa różnicy F2-F1. Dla momentu przerwania błonki zachodzi związek F2-F1=2 lσ przy pomocy którego wyznaczamy napięcie powierzchniowe σ
5.Rachunek błędów.
Na wartość współczynnika σ ma wielki wpływ temperatura cieczy oraz zanieczyszczenie badanej cieczy innymi cieczami lub rozpuszczonymi w niej ciałami stałymi. Należy więc -w celu utrzymania temperatury na stałym poziomie - postawić naczynie z cieczą na odpowiednim termostacie, jeśli jest to niemożliwe ze względów praktycznych, należy przeprowadzić pomiary możliwie szybko.
Jeśli do pomiaru stosowana była waga skręceń wówczas błąd ΔF możemy wyznaczyć dwoma sposobami.
(1) jako błąd średni kwadratowy z kilku pomiarów siły
(2) w oparciu o zależność F=k(ϕ1-ϕ0) jako błąd złożony będący następstwem błędu Δk i
Δ(ϕ1-ϕ0).
Opracowanie wyników:
1) Wartość napięcia powierzchniowego obliczona za wzoru: α=F / 2L gdzie F=F2-F1
przedstawiona jest w poniższej tabeli:
Rodzaj |
F1 |
F2 |
F |
F |
l |
α [N/m] - napięcie |
||||||
cieczy |
[mG] |
[N] |
[mG] |
[N] |
[mG] |
[N] |
[m.] |
powierzchniowe |
||||
|
174 |
1,706*10-3 |
319 |
3,128*10-3 |
145 |
1,422*10-3 |
|
0,0235 |
||||
Woda |
179 |
1,756*10-3 |
322 |
3,157*10-3 |
143 |
1,401*10-3 |
|
0,0235 |
||||
destylowana |
181 |
1,775*10-3 |
350 |
3,432*10-3 |
169 |
1,657*10-3 |
|
0,0275 |
||||
|
182 |
1,784*10-3 |
352 |
3,452*10-3 |
170 |
1,668*10-3 |
|
0,0280 |
||||
|
179 |
1,756*10-3 |
359 |
3,521*10-3 |
200 |
1,756*10-3 |
|
0,0290 |
||||
|
170 |
1,667*10-3 |
340 |
3,334*10-3 |
170 |
1,667*10-3 |
|
0,0280 |
||||
|
171 |
1,676*10-3 |
342 |
3,354*10-3 |
171 |
1,678*10-3 |
|
0,0280 |
||||
Gliceryna |
174 |
1,706*10-3 |
340 |
3,334*10-3 |
166 |
1,628*10-3 |
|
0,0270 |
||||
|
179 |
1,755*10-3 |
346 |
3,393*10-3 |
167 |
1,638*10-3 |
|
0,0275 |
||||
|
164 |
1,608*10-3 |
334 |
3,275*10-3 |
170 |
1,667*10-3 |
|
0,0280 |
||||
|
165 |
1,618*10-3 |
284 |
2,785*10-3 |
121 |
1,167*10-3 |
|
0,0195 |
||||
|
163 |
1,598*10-3 |
286 |
2,805*10-3 |
123 |
1,207*10-3 |
|
0,0200 |
||||
Denaturat |
165 |
1,618*10-3 |
282 |
2,765*10-3 |
117 |
1,147*10-3 |
|
0,0190 |
||||
|
166 |
1,628*10-3 |
285 |
2,795*10-3 |
119 |
1,167*10-3 |
|
0,0195 |
||||
|
167 |
1,638*10-3 |
285 |
2,795*10-3 |
118 |
1,157*10-3 |
|
0,0190 |
||||
Wartość średnia napięcia powierzchniowego α wynosi :
dla wody destylowanej α= 0,0263 [N/m]
dla gliceryny α=0,0277 [N/m]
dla denaturatu α=0,0194 [N/m]
2) Błąd pomiaru :
dla wody destylowanej Δα=0,0110 [N/m]
dla gliceryny Δα=0,0020 [N/m]
dla denaturatu Δα=0,0020 [N/m]