Тема лекции: Жидкое состояние вещества. Поверхностное натяжение и вязкость жидкости
План лекции:
1 Особенности жидкого состояния
2 Поверхностное натяжение жидкости и методы его определения
3 Вязкость жидкостей
4 Особенности твердого состояния вещества
1. Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Подобно газам жидкости текучи и однородны по свойствам по всем направлениям, т. е. изотропны. Движение молекул жидкости беспорядочно, как и в газах, но величина среднего пробега молекул вследствие больших сил взаимодействия между ними мала. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам удаляться друг от друга на большие расстояния, следовательно, каждая молекула жидкости находится в сфере действия соседних молекул. Поэтому жидкости отличаются постоянством объема. Хотя силы межмолекулярного сцепления и велики, но все же недостаточны, чтобы удерживать молекулы в определенных точках пространства. Поэтому жидкость не имеет постоянной формы, а приобретает форму того сосуда, в котором она находится.
Изучение жидкостей показало, что по внутреннему строению они даже ближе к твердым веществам. Молекулы жидкости стремятся к некоторому упорядоченному расположению в пространстве; жидкости обладают объемной упругостью, как и твердые тела, так как упруго противодействуют не только всестороннему сжатию, но и всестороннему растяжению.
Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Жидкости, образованные полярными молекулами, отличаются по свойствам от неполярных. Соседние полярные молекулы ориентируются разноименными концами диполей друг к другу; при этом между ними возникают силы электростатического притяжения. Происходит объединение (ассоциация) двух или более молекул в сложный комплекс. Ассоциация может быть вызвана, в частности, образованием водородной связи между молекулами жидкости. Свойства жидкостей зависят от степени ассоциации, так как для разрыва межмолекулярных связей требуется значительная энергия. Поэтому ассоциированные жидкости (вода, спирты, жидкий аммиак) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью и т. п. Так, например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую формулу (С2Н6О) и одинаковую молекулярную массу. Спирт — полярное вещество, относится к ассоциированным жидкостям и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир (неполярное вещество), который относится к неассоциированным жидкостям.
2. Рассмотрим некоторые характерные физико-химические свойства жидкостей и, в частности, поверхностное натяжение.
Поверхностный слой жидкости по физико-химическим свойствам отличается от внутренних слоев. Каждая молекула внутри жидкости притягивает к себе все окружающие ее молекулы и одновременно с такой же силой притягивается равномерно во все стороны окружающими ее молекулами. Следовательно, силовое поле каждой молекулы внутри жидкости симметрично насыщенно. Равнодействующая сил притяжения равна нулю.
В ином положении оказываются молекулы, расположенные в поверхностном слое. На них действуют силы притяжения только со стороны молекул нижней полусферы. Действием молекул газа или пара, находящихся над поверхностью жидкости, можно пренебречь, так как их концентрация, несравнимо меньше, чем в жидкости. Равнодействующая молекулярных сил в этом случае не равна нулю и направлена вниз. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь. Это приводит к тому, что поверхность жидкости стремится сократиться.
У молекул поверхностного слоя неиспользованные силы сцепления являются источником избыточной энергии, называемой свободной поверхностной энергией. Свободная энергия единицы поверхности называется поверхностным натяжением и обозначается . Поверхностное натяжение может быть измерено той работой, которую нужно затратить на преодоление сил сцепления между молекулами для создания новой единицы поверхности.
Поверхностное натяжение можно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости, и направленную и сторону сокращения поверхности.
Поверхностное натяжение можно определить опытным путем. Возьмем проволочную рамку, одна сторона которой (CD) может свободно перемещаться. К подвижной стороне рамки CD прикреплен груз Р. Проволочку CD сдвинем к стороне АВ, смочим рамку мыльным раствором и установим ее в вертикальном положении. Подвижная сторона под действием груза Р начнет опускаться вниз. При этом между ней и рамкой образуется пленка. Пройдя некоторое расстояние h, подвижная проволока остановится, так как вес груза Р становится равным силе поверхностного натяжения. При этом груз Р совершает работу A = P*h. Работа, выполненная грузом Р, к моменту равновесия равна поверхностному натяжению мыльной пленки с поверхностью S, равной 2lh (так как поверхность образована двумя сторонами пленки).
Величину поверхностного натяжения рассчитывают по уравнению A = S, откуда
= A/S (I)
где A — работа создания поверхности S; — поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение для чистых жидкостей зависит от природы жидкости и температуры, а для растворов от природы растворителя, а также от природы и концентрации растворенного вещества.
У жидких и расплавленных металлов поверхностное натяжение очень велико. Спирт, эфир, ацетон, бензол — жидкости с малыми значениями . Поверхностное натяжение жидкостей с ростом температуры уменьшается.
Поверхностное натяжение воды при различных температурах
Температура 0 +20 +40 +60 +80
103 75,95 72,75 69,55 66,18 62,75
Поверхностное натяжение жидкостей может резко изменяться при растворении в них различных веществ. Растворенные вещества могут понижать или повышать поверхностное натяжение! Вещества, значительно снижающие поверхностное натяжение данной жидкости, называют поверхностно-активными. По отношению, к воде поверхностно-активными веществами являются спирты, мыла, белки и др. Добавка таких веществ к воде облегчает вспенивание, т. е. образование большого количества новых поверхностных пленок жидкости, что объясняется снижением поверхностного натяжения воды.
Вещества, повышающие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-неактивными. Поверхностное натяжение воды, например, повышается при растворении минеральных кислот, щелочей, некоторых неорганических солей.
Измеряют поверхностное натяжение различными методами. Наиболее простым является метод «счета капель» при помощи прибора, называемого сталагмометром, который представляет собой пипетку, имеющую две метки; нижняя часть сталагмометра переходит в капилляр, конец которого утолщен и отшлифован для получения одинаковых капель. Метод основан на том, что образующаяся на конце капиллярной трубки сталагмометра капля удерживается силой поверхностного натяжения. Отрывается капля в тот момент, когда ее вес станет равным или превысит на бесконечно малую величину силу поверхностного натяжения, удерживающую каплю. Для жидкостей с большим поверхностным натяжением отрыв капель затруднен и образующиеся капли будут более крупными, чем у жидкостей с меньшим поверхностным натяжением, поэтому и число их будет меньше.
Сталагмометр заполняют исследуемой жидкостью и считают число капель п, вытекающих из объема V. Затем его заполняют дистиллированной водой и считают число капель воды nо, вытекающих из этого же объема V. И в момент отрыва капли ее вес равен силе поверхностного натяжения. Если из объема V вытекает п капель жидкости, имеющей плотность р, то вес капли определяют по уравнению Р= V**g/n, где g — ускорение свободного падения.
Сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю, равна 2r; где 2r — длина окружности отверстия капилляра, от которого отрывается капля. Для исследуемой жидкости
V**g/n = 2r (II)
для воды V*о*g/nо = 2rо (III)
где о — поверхностное натяжение воды; о — ее плотность; nо — число капель воды.
Поделив уравнение (II) на (III), получим
*no/o*n = / o , откуда
= о* *no/o*n (IV)
Плотность исследуемой жидкости, йоды и поверхностное натяжение воды o находят по таблицам для соответствующей температуры, при которой производится измерение.
3. Вязкостью или внутренним трением называется сопротивление, возникающее при движении одних слоев жидкости относительно других. Если перемешивать палочкой воду, а тем более сахарный сироп, подсолнечное масло, мед, глицерин, то при этом будет ощущаться сопротивление движению палочки. При движении одного слоя жидкости Соседние слои вовлекаются в это движение, но оказывают ему сопротивление. Величина этого сопротивления для разных жидкостей различна и зависит от химической природы жидкостей, т. е. от сил межмолекулярного взаимодействия. У таких жидкостей, как мёд, сахарный сироп, вязкость высокая, а у воды, этилового спирта она невелика.
Вязкость жидкости зависит от температуры; при повышении температуры она уменьшается, жидкость становится более подвижной, т. е. ее текучесть увеличивается. Обычно при повышении температуры на 1°С вязкость уменьшается примерно на 2%. Такие жидкости, как винный спирт, вода, диэтиловый эфир, легкотекучие, а мед, глицерин, патока, масло — вязкие. Иногда вязкость повышается настолько, что жидкость перестает быть текучей и приобретает свойства твердых тел.
Вязкость растворов в значительной мере зависит от их концентрации; чем выше концентрация, тем больше вязкость.
В жидкостях при перемещении одних слоев относительно других между слоями возникает сила трения, направленная противоположно направлению движения. Количественная характеристика этой силы выражается законом Ньютона:
F = *S*/l (V)
где F — сила трения; S — площадь контакта двух слоев; — разность скоростей 2 и 1 этих слоев, находящихся на расстоянии l друг от друга; — коэффициент пропорциональности.
Если S=1 см2 и /l=1, то F=. Поэтому вязкость качественно характеризуется коэффициентом вязкости, или коэффициентом внутреннего (эта), который зависит от природы жидкости и температуры.
Вязкость измеряется в пуазах. Вязкость 1 П (0,1 Н*с/м2) – очень большая величина: так, вязкость воды при 20о С равна всего 0,01 П, оливкового масла 0,98 П, а глицерина 10,63 П. На практике обычно определяют относительную вязкость, т. е. отношение вязкости исследуемой жидкости к вязкости воды, принимая вязкость воды равной одному сантипуазу (1 сП).
Один из методов измерения вязкости основан на определении времени истечения жидкости из капиллярной трубки вискозиметра. Время истечения равных объемов (этот объем ограничен метками А и Б) воды и исследуемой жидкости определяется в секундах. На основании опытных данных, рассчитывают относительную вязкость по формуле
отн = о*ж*ж/о* о (III.22)
где отн — относительная вязкость исследуемой жидкости по воде; о — коэффициент вязкости воды, равный I сП; рж и о — плотность исследуемой жидкости и воды; ж и о — время истечения исследуемой жидкости и воды. Величины ж и о определяют опытным путем при постоянной температуре; рж и о для данной температуры берут из таблиц.
Определение вязкости имеет большое значение при изучении свойств растворов белков, углеводов и жиров. От вязкости зависит скорость диффузии вещества в жидких средах, а следовательно, и скорость химических ре-акций в растворах.
Растворы почти всегда более вязки, чем чистые растворители. Особенно ярко различие проявляется в растворах высокомолекулярных веществ. Поэтому жидкости, подчиняющиеся уравнению (III.22), называются ньютоновскими в отличие от растворов полимеров, которые не подчиняются этому уравнению.
4. Твердое состояние вещества
Твердые вещества в отличие от жидкостей и газов сохраняют свою форму. Частицы твердых тел так прочно связаны друг с другом силами сцепления, что поступательное движение у них отсутствует и возможно лишь колебательное движение около определенных точек. Твердые тела могут быть кристаллическими и аморфными.
Кристаллические тела имеют четкую внутреннюю структуру, обусловленную правильным расположением частиц в строго определенном периодически повторяющемся порядке. Размеры кристаллов могут быть различны: от очень мелких до гигантских. Кристаллические тела имеют строго определенную температуру плавления. Для них характерно также явление анизотропии, заключающееся в том, что свойства кристаллических тел в различных направлениях неодинаковы. Это объясняется тем, что в кристаллах теплопроводность, механическая прочность, скорость роста кристаллов, скорость растворения и другие свойства в различных направлениях различны. Например, слюда легко разделяется на пластинки только в одном направлении (параллельно ее поверхности), в других направлениях для разрушения слюды требуются значительно большие усилия. Аморфные тела не имеют строго определенной температуры плавления, они размягчаются в некотором интервале температур и постепенно переходят в жидкое состояние. При охлаждении эти расплавы переходят в твердое состояние, не образуя кристаллической структуры. Типичным представителем аморфных тел является обычное силикатное стекло, поэтому аморфное состояние часто называют стеклообразным.
В отличие от кристаллических для аморфных тел, так же как и для газов и жидкостей, характерно свойство изотропности, т. е. постоянство свойств (теплопроводности, электропроводности, механических свойств и т. д.) по всем направлениям. Следует отметить, что поликристаллические тела, состоящие из большого числа беспорядочно ориентированных мелких кристаллов, в целом также оказываются изотропными телами, например металлы.
Однако нельзя провести четкой границы между аморфными и кристаллическими телами. Например, сахар может быть как в кристаллическом (сахарный песок, кусковый сахар), так и в аморфном состоянии (карамелизованный сахар). Кроме того, некоторые вещества, полученные в аморфном состоянии, со временем могут кристаллизоваться: так кристаллизуется карамель, что нежелательно в кондитерском производстве, кристаллизуются со временем стекла, теряя прозрачность. Это явление и технике называется расстекловыванием.
Вопросы для самоконтроля:
1 Опишите особенности жидкого состояния вещества.
2 Объясните причины возникновения поверхностного натяжения жидкости.
3 Охарактеризуйте прибор для определения поверхностного на-тяжения.
4 Объясните причины возникновения вязкости жидкости.
5 Охарактеризуйте принцип действия вискозиметра.