cw033.pdf

Ćwiczenie 33

POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO

Cel ćwiczenia: zapoznanie się z opisem oddziaływań międzycząstecz-

kowych, prostymi metodami pomiaru napięcia powierzchniowego cieczy

i oceną dokładności tego pomiaru.

Zagadnienia: natura i charakter oddziaływań międzycząsteczkowych Van

der Waalsa, napięcie powierzchniowe cieczy, ciśnienie pod zakrzywioną

powierzchnią cieczy, meniski wklęsły i wypukły, metody pomiaru

napięcia powierzchniowego.

33.1. Wprowadzenie

Siły odziaływań międzycząsteczkowych i wiązania chemiczne mają

naturę elektromagnetyczną. Za stabilną strukturę budowy cząsteczek

odpowie-dzialne są wiązania chemiczne, a więc elektrony walencyjne

atomów. Wiązania te są na ogół silniejsze niż wiązania

międzycząsteczkowe. Siły odziaływań międzycząsteczkowych gazów i

cieczy nazywają się siłami Van der Waalsa. Działają one między

elektrycznie obojętnymi atomami lub cząsteczkami. Gdy odległość między

dwiema elektrycznie obojętnymi cząsteczkami jest dostatecznie mała, to

rozkłady ładunków elektrycznych w tych cząsteczkach ulegają deformacji

(polaryzacji) i występuje między nimi przyciąganie elektryczne. Gdy

odległość między tymi cząsteczkami jest jeszcze mniejsza, zaczynają

dominowaćsiły odpychania. Istnieje więc taka odległość (pomiędzy dwiema

cząsteczkami), przy której siły przyciągania i odpychania równoważą się.

Wtedy energia oddziaływania obu cząsteczek osiąga minimum (rys. 33.1).

Ogólnie można powiedzieć, że między dwiema cząsteczkami występują

następujące oddziaływa-nia Van der Waalsa:

1. Elektrostatyczne (kulombow-skie) , działające między elektronami i

jądrami atomów tych cząsteczek. W szczególności są to oddziaływania:

a) dipolo w e, (jeżeli cząsteczki dzięki swojej budowie) posiadają trwałe

dipole elektryczne (siła tych oddziaływań zależy od wzajemnej orientacji

dipoli; może tu także występować efekt indukcyjny, polegający na

wytworzeniu indu-kowanego momentu dipolowego przez sąsiednią

cząsteczkę polarną),

Rys. 33.1.

Oddziaływanie Van der Waalsa

b) dyspersyjne, jeżeli cząsteczki nie są jonami i nie mają trwałych dipo-li

(efekt ten polega na powstawaniu chwilowych momentów dipolowych

wskutek fluktuacji w gęstości chmur elektronowych; fluktuacje

spowodowane są ruchami elektronów i jąder w cząsteczce).

2. Magnetyczne, spowodowane konfiguracją budowy atomów i cząsteczek

oraz ruchem ich ładunków elektrycznych.

Oddziaływania Van der Waalsa są wypadkową wszystkich ww. typów

oddziaływań. Siłę Van der Waalsa można zapisać w postaci

FF F

=+= −

r r

(33.1)

składającą się z siły przyciągającej FAr m

1 =− / oraz siły odpychającej

2 = / , gdzie r jest odległością między dwiema cząsteczkami. Siłom

tym odpowiadają energie potencjalne Ea r

=−

−

i Ebr

−

Wypadkowa energia potencjalna

=− +

− −

(33.2)

= . Na odleg-łościach mniejszych od r 0 dominują siły odpychania,

zaś na odległościach większych od r 0 - siły przyciągające. Siły Van der

Waalsa stają się znikomo małe w odległości rzędu 1 nm, która opisuje tzw.

sferę oddziaływania cząsteczkowego. W powyższych zależnościach zawsze

m< n i przeważnie m ≈ 7, zaś n ≈ 13. A, B, a, b są pewnymi stałymi,

charakterystycznymi dla określonego rodzaju cieczy.

Opis Van der Waalsa jest poprawny dla oddziaływań międzycząstecz-

kowych i częściowo do opisu oddziaływań w cząsteczce. Energia

potencjalna dla r 0 nazywa się energią dysocjacji (cząsteczki lub grupy

cząsteczek) D i jest to, ze znakiem przeciwnym, energia która wydziela się

FB n

jest ich sumą algebraiczną (rys. 33.1).

Dla odległości r 0 (zwanej długością wiązania) występuje stan

równowagi, wktórym energia potencjalna osiąga minimum, a siła

()

Fr 0 0

przy powstawaniau cząsteczki lub grupy cząsteczek podczas łączenia się ich

składników.

Energia potencjalna oddziaływań międzycząsteczkowych Van der

Waalsa jest rzędu 04 4 10 3

, ÷⋅ J / mol . Przy odległościach mniejszych od

sfery oddziaływania cząsteczkowego, oprócz oddziaływania

elektromagnetycz-nego pojawiają się oddziaływania kwantowe, które

objawiają się jako siły odpychania cząsteczkowego albo jako silne

przyciąganie sąsiednich atomów, które mogą doprowadzić do wiązań

chemicznych jonowych lub walencyjnych. Energia wiązań chemicznych

wynosi 0 4 4 10 4

, ÷⋅ J / mol (czyli jest o rząd większa od energii wiązań Van

der Waalsa).

Między cząsteczkami cieczy występują siły wzajemnego oddziaływania.

Siły te odgrywają istotną rolę w pewnym obszarze, wokół każdej cząsteczki,

zwanym sferą działania. Średnie odległości cząsteczek w cieczach są

znacznie mniejsze niż w gazach. Dlatego siły oddziaływania między

cząsteczkami cieczy są o wiele większe niż siły oddziaływania między

cząsteczkami gazu. Na cząsteczkę znajdującą się wewnątrz cieczy działają

siły przyciągania pochodzące od otaczających ją cząsteczek. Ze względu na

symetrię sferyczną siły te kompensują się tak, że ich wypadkowa równa się

zeru (rys. 33.2).

Rys. 33.2.

Siły działające na cząsteczki znajdujące się

na powierzchni i wewnątrz cieczy

Rys. 33.3.

Błonka mydlana naciągana na ramce

Rozkład sił działających na cząsteczkę znajdującą się na powierzchni

cieczy jest inny. Siły przyciągania, pochodzące od cząsteczek cieczy,

tworzą wypadkową, która jest skierowana do wnętrza cieczy wzdłuż

normalnej do powierzchni cieczy. Wypadkowa sił pochodzących od

cząsteczek gazu lub pary działa na rozpatrywaną cząsteczkę także wzdłuż

normalnej do granicy ciecz-gaz (para), ale jest skierowana ku górze (w

warunkach ziemskich). Wartość tej siły jest jednakże wielokrotnie mniejsza

niż siły przyciągania między cząsteczkami cieczy. Wypadkowa siła

działająca na cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy jest więc

skierowana w głąb cieczy (i wywiera ciśnienie rzędu dziesiątek tysięcy

atmosfer). Na skutek tego powierzchnia cieczy zmniejsza się. Gdy na ciecz

nie działają siły zewnętrzne, np. grawitacji, przyjmuje ona kształt kuli, tzn.

kształt, dla którego stosunek powierzchni do objętości jest najmniejszy

(obserwuje się to na pokładzie sztucznych satelitów Ziemi). Przeniesienie

cząsteczek z wnętrza na powierzchnię cieczy jest związane z wykonaniem

pracy przeciw wypadkowej sił międzycząsteczkowych. Cząsteczki na

powierzchni cieczy mają większą energię potencjalną niż cząsteczki

wewnątrz cieczy.

Napięciem powierzchniowym σ danej cieczy, na granicy z inną fazą,

nazywamy pracę potrzebną do izotermicznego zwiększenia powierzchni o

jednostkę.

Definicję tę zrozumiemy lepiej na przykładzie. Jeżeli na ramce z drutu

(rys. 33.3), której część o długości l jest ruchoma, utworzymy błonkę

mydlaną przez zanurzenie jej w roztworze mydła, to zauważymy, że

napięcie powierzchniowe powoduje zmniejszenie powierzchni błonki. Pod

działaniem ciężaru części ruchomej ramki z jednej strony i sił napięcia

powierzchniowego błonki z drugiej strony, część ruchoma ramki zajmie

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: