ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

​INVESTIGATION OF THE DEPENDENCE OF THE SURFACE TENSION COEFFICIENT ON THE CONCENTRATION OF SOLUTIONS

Boris Bainov

student, Faculty of Physics and Technology, Buryat State University named after Dorzhi Banzarov,

Russia, Ulan-Ude

Elizaveta Bondarchuk

student, Faculty of Physics and Technology, Buryat State University named after Dorzhi Banzarov,

Russia, Ulan-Ude

Angelina Tsyrenova

student, Faculty of Physics and Technology, Buryat State University named after Dorzhi Banzarov,

Russia, Ulan-Ude

АННОТАЦИЯ

Экспериментально исследована зависимость коэффициента поверхностного натяжения от концентрации растворов двумя способами: с помощью торсионных весов и методом отрыва капель. На основе результатов проведено сравнение двух методов определения поверхностного натяжения.

ABSTRACT

The dependence of the surface tension coefficient on the concentration of solutions has been experimentally studied in two ways: with the help of torsion balances and by the method of detachment of drops. Based on the results, two methods for determining surface tension were compared.

Ключевые слова: коэффициент поверхностного натяжения, торсионные весы, способ капель, концентрация растворов.

Keywords: surface tension coefficient, torsion balance, drop method, concentration of solutions.

Коэффициентом поверхностного натяжения жидкости называется физическая величина, характеризующая жидкость и равная отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости [1].

Так как поверхностный слой состоит из молекул растворенного вещества и молекул растворителя, то при равных условиях поверхностное натяжение растворов и поверхностное натяжение растворителя различаются. Для вывода молекул с поверхностного слоя и растворителя затрачивается разная по величине работа [2]. Поэтому существует зависимость поверхностного натяжения жидкости от концентрации примесей. В том случае, когда коэффициент поверхностного натяжения растворителя  меньше, чем коэффициент растворенного вещества , то . В случае же, когда , то .

В данной работе мы исследовали зависимость коэффициента поверхностного натяжения спирта от концентрации.

Метод определения коэффициента поверхностного натяжения с помощью торсионных весов.

Пластинку прямоугольной формы со сторонами равными  и опустили в жидкость. Между вертикальной поверхностью пластинки и плоскостью, касательной к поверхности жидкости на границе с пластинкой, краевой угол . Чтобы оторвать пластинку от поверхности жидкости, следует приложить силу, равную , где P – вес пластинки, F – сила поверхностного натяжения, действующая по всему периметру пластинки: . Итак, для определения коэффициента поверхностного натяжения можно воспользоваться формулой . При полном смачивании . В этом случае коэффициент поверхностного натяжения определится следующим образом: . Для определения  и Pв данной работе используются торсионные весы. Из-за сложности определения размера пластинки поверхностное натяжение жидкости мы определили, используя жидкость с известным поверхностным натяжением (воды) и исследуемую:

, ; ..

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что для определения коэффициента поверхностного натяжения необходимо измерение силы для отрыва пластинки от воды и исследуемой жидкости, а также измерение силы тяжести пластинки. Удерживаемая силами поверхностного натяжения капля жидкости остается на поверхности пластинки после отрыва. Из-за неодинакового веса капель различных жидкостей для определения коэффициента поверхностного натяжения мы использовали формулу , где –вес пластинки с каплей исследуемой жидкости,  – вес пластинки с каплей воды.

Мы провели измерения для всех исследуемых растворов и определили коэффициент поверхностного натяжения. В таблице 1 приведены результаты измерений и вычислений при различной концентрации растворов.

Таблица 1.

Результаты измерений и вычислений поверхностного натяжения

На основе результатов измерений и вычислений мы построили график зависимости коэффициента поверхностного натяжения от концентрации растворов.

Рисунок 1. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от концентрации растворов.

Из графика следует, что коэффициент поверхностного натяжения при увеличении концентрации растворов уменьшается, что связано с тем, что веществам свойственно переходить из объема раствора на его поверхность, т.е. концентрирование на межфазной поверхности. При постоянной температуре зависимость поверхностного натяжения раствора от концентрации растворенного вещества называется изотермой поверхностного натяжения.

Описание определения коэффициента поверхностного натяжения способом капель.

Метод отрыва капель является наиболее доступным и простым способом определения коэффициента поверхностного натяжения. Суть метода в образовании капель жидкости за счет их вытекания из узкой трубки внутреннего радиуса (r). Условие отрыва капли в том, что по периметру шейки капли ее сила тяжести преодолевает силу поверхностного натяжения.

Перед отрывом капли жидкости в равновесии , гдеR–радиус шейки капли приравнивается r– внутреннему радиусу трубки.

, где  – периметр шейки капли в момент отрыва,  – коэффициент поверхностного натяжения.

,

.

.  Для вычисления поверхностного натяжения в дальнейшем нами использована формула

В таблице 2 представлены результаты наших вычислений.

Таблица 2

Результаты измерений и вычислений поверхностного натяжения

Рисунок 2. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от концентрации растворов

Сравнение результатов определения коэффициента поверхностного натяжения с помощью торсионных весов и методом отрыва капель показало, характерное понижение коэффициента поверхностного натяжения при увеличении концентрации растворов в обоих случаях.

Список литературы:

1. Курс физики: учебник/ Н. М. Ливенцев. —Москва: Лань, 2012. —672 с.
2. Курс физики: в 2 т.: учебник для студ. вузов (гриф МО/под ред. В. Н. Лозовского. —, Т. 2. —2009. —608 с.