Натяг рідини
Поверхневий натяг рідини
Вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву крапель (сталагмометрія)
Список використаних джерел
Поверхневий шар речовини є область поступової зміни властивостей і складу при переході від однієї фази до іншої. Утворення поверхневого шару є результатом взаємодії суміжних фаз. Молекули речовини, розташовані всередині фази, відрізняються енергетичним станом від молекул, що знаходяться на межі розділу фаз. Ці останні відчувають неоднаковий вплив сил міжмолекулярної взаємодії з боку кожної з фаз, що контактують, оскільки фізичні властивості цих фаз різні. Молекули в обсязі тіла рівномірно оточені такими самими молекулами, тому їх силові поля повністю компенсовані.
Молекули поверхневого шару взаємодіють як із молекулами однієї фази, і з молекулами інший фази. В результаті рівнодіюча молекулярних сил у поверхневому шарі не дорівнює нулю і спрямована всередину тієї фази, в якій взаємодія більша. Таким чином виникає поверхневий натяг, що прагне скоротити поверхню.
Поверхневий натяг рідини
У медичній практиці коефіцієнт поверхневого натягу визначають у різних біологічних рідин та рідких лікарських форм, т.к. він може бути діагностичним та аналітичним фактором.
На відміну від газу, молекули якого майже не взаємодіють один з одним, молекули рідини виявляють дуже сильну взаємодію між собою.
Сили тяжіння між молекулами рідини настільки великі, що внутрішній тиск у рідині сягає десятків тисяч атмосфер. Тому зовнішнім тискомпрактично не можна зменшити обсяг рідини, отже рідина найчастіше може вважатися несжимаемой. Характерною особливістю рідини є існування у неї вільної поверхні, що межує з газом, точніше з парою самої рідини, або з твердими тілами. Молекули, що лежать у дуже тонкому поверхневому шарі, знаходяться в умовах, відмінних від умов, в яких знаходяться молекули всередині рідини. Усередині рідини кожна молекула оточена з усіх боків такими ж молекулами, тому сили тяжіння, що діє на молекули, виявляються скомпенсованими (рис.1).
Рисунок 1 – Сили тяжіння, що діє на молекули
Молекула ж, що знаходиться на поверхні, оточена молекулами рідини не з усіх боків. Тому сума сил тяжіння, які діють неї з боку молекул рідини, не дорівнює нулю: Рис. 1.
Їх рівнодіюча спрямована всередину рідини. Правда, над поверхнею рідини теж є молекули пари, але їх значно менше (щільність пари в звичайних умовах приблизно в 1000 разів менша за щільність рідини), тому сили з боку молекул пари набагато менше, ніж сили тяжіння до молекул рідини. Таким чином, на молекули поверхневого шару діє сила, яка прагне перевести їх углиб рідини. Завдяки цьому молекули поверхневого шару мають велику потенційну енергію в порівнянні з «глибинними» молекулами. Наслідком цього є те, що за відсутності будь-яких інших сил, що діють на рідину, вона набуває такої форми, за якої її поверхня є мінімальною (при даному обсязі), тобто. форму кулі. За такої форми максимально можливе число молекул знаходиться не на поверхні, а всередині об'єму рідини. У реальних умовах рідина знаходиться не тільки під дією внутрішніхмолекулярні сили. На рідину, крім того, діють сила тяжіння та сила взаємодії між молекулами рідини та твердого тіла, з яким рідина межує. Тому рідина набуває форми кулі лише в тих випадках, коли мала сила тяжкості (тобто коли мала маса рідини), а якщо рідина межує з твердим тілом, то має бути мала також сила взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла в порівнянні з міжмолекулярними силами у самій рідині.
Цим пояснюється той факт, що сферичну форму мають лише малі краплі рідини, якщо вони оточені повітрям, а якщо краплі стикаються з твердим тілом, то сферична форма можлива лише в тих випадках, коли рідина не змочує тверде тіло (рідина саме в тих випадках не змочує тверде тіло, коли молекулярні сили всередині рідини перевищують сили взаємодії з молекулами твердого тіла.
Навпаки, змочування твердого тіла рідиною свідчить, що сили, що діють між молекулами рідини, набагато менше, ніж сили взаємодії з частинками твердого тіла.
Так молекули поверхневого шару рідини мають підвищену потенційну енергію, то всяке зменшення площі поверхні рідини призводить до зменшення цієї енергії. Отже, за такого скорочення поверхні може бути виконана робота. Навпаки, усяке збільшення поверхні рідини пов'язане із збільшенням потенційної енергії. Вочевидь, що це зміна енергії пропорційно зміні величини площі поверхні.
Позначимо зміну енергії через dW, а відповідну зміну площі поверхні через dS. Тоді можна написати:
Коефіцієнт пропорційності σ, що входить до цієї формули, називається коефіцієнтом поверхневого натягу рідини.
Фізичний зміст цієї величини(З формули 1): коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює зміні поверхневої енергії рідини при зміні площі її поверхні на одиницю. Коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється:
а) За системою СІ – Дж/м2;
б) За системою СГС – ерг/см2.
Завдяки тому, що сили, що діють у поверхневому шарі рідини, прагнуть зменшити площу її поверхні, рідини поводяться так, ніби їх поверхні є натягнутими пружними плівками. В цьому випадку вважається, що на поверхні рідини діють сили, що стосуються неї, перпендикулярні до будь-якої лінії, взятої на поверхні рідини (рис.2).
Малюнок 2 -Сили, що діють у поверхневому шарі рідини.
Ці сили називаються силами поверхневого натягу. Для будь-якої лінії, що становить межу між поверхнею рідини та твердим тілом, можна написати рівність:
де: F – сила поверхневого натягу, що діє на контур вільної поверхні рідини довгою l,
σ - коефіцієнт поверхневого натягу.
З цієї точки зору коефіцієнт поверхневого натягу є силою, що діє на одиницю довжини довільної лінії на поверхні рідини, отже σ вимірюється в системі СІ в Н/м.
При постійних температурі та тиску поверхнева енергія Гіббса системи дорівнює добутку поверхневого натягу G на площу поверхні S:
Площа поверхні залежить від її кривизни та дисперсності фаз (розміру частинок або поверхневих дефектів). Дисперсність D лінійно пов'язана з питомою поверхнею Sуд:
де: V – обсяг дисперсної фази;
d – розмір часток;
k - коефіцієнт форми та щільності частинки.
Питома поверхня, наприклад водяного туману при радіусі крапельок 1 мкм.складе:
Прагнення системи до зменшення поверхневої енергії Гіббса виявляється у мимовільному зменшенні міжфазної поверхні (зміна форми та кривизни, прояв процесів коагуляції, коалесценції та ін.) та зменшенні поверхневого натягу (протікання процесів адсорбції, адгезії та змочування), виникнення електричного потенціалу.
Вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву крапель (сталагмометрія)
Метод відриву крапель, не дуже точним, є, проте поширеним у медичній і фармацевтичній практиці. Теоретичне обґрунтування цього методу полягає у наступному. Утворення крапель рідини при її витіканні з малих отворів є результатом дії сили поверхневого натягу і сили тяжіння. Так, якщо вертикально поставленої трубки з вузьким капілярним отвором повільно витікає рідина, то на кінці трубки утворюється поступово наростаюча за величиною u1082 крапля. Збільшуючись у розмірі, ця крапля відривається тоді, коли її вага стає рівним опору розриву поверхневої плівки, що підтримує краплю.
Перед відривом краплі у кінця трубки утворюється перетяжка, через яку відбувається відрив краплі (рис.3).
Малюнок 3 – Схема сталагмометра.
Сталагмометр є скляною трубкою з розширенням посередині і капіляром в нижній частині; розширена частина обмежена двома мітками. Помістивши капіляр у стаканчик з досліджуваним розчином, за допомогою гумової груші затягують розчин у прилад (рівень рідини повинен бути вищим за верхню мітку) і дають рідини по краплях витікати зі сталагмометра в стаканчик. Швидкість закінчення можна регулювати за допомогою гвинтового затискача. Коли рівень рідини досягне верхньої мітки, починають відлік крапель;відлік продовжують до досягнення рівнем нижньої мітки.
Визначення поверхневого натягу цим методом полягає у вимірюванні об'єму або ваги краплі рідини, що відривається від кінчика капіляра в нижньому кінці сталагмометричної трубки.
У момент відриву краплі сила поверхневого натягу fT врівноважується силами поверхневого натягу F. Сила поверхневого натягу діє вздовж кола шийки краплі і перешкоджає її відриву. У момент відриву вважатимуться, що довжина контуру, яким розривається поверхнева плівка краплі, дорівнює довжині кола перетяжки, і дорівнює 2πr. Тоді сила поверхневого натягу по всьому контуру відриву дорівнюватиме: