Принадлежности: раствор олеиновой кислоты в спирте, кювета, линейка, аналитические весы, присыпка, пипетка

Рассмотрим условия, возникающие на границе соприкосновения двух не смешивающихся друг с другом жидкостей. Пусть капля жидкости 2 помещена на поверхности другой жидкости 1. Вес капли заставляет ее несколько углубиться в жидкость 1, образуя чечевицу. Однако, далеко не всегда капли одной жидкости на поверхности другой образую чечевицу. Так, например, бензин и керосин на поверхности воды образуют тонкие пленки.

Рассмотрим, при каких условиях образуется чечевица, а при каких тонкая пленка.

Из рисунка видно, что в рассматриваемом случае друг с другом граничат следующие среды: жидкость 1 граничит с жидкостью 2; жидкости 1 и 2 граничат со средой 3 (смесь паров жидкостей 1 и 2 с воздухом, если опыт проводится на воздухе). Границей соприкосновения трех сред является окружность, ограничивающая чечевицу. На элемент длины dl этой окружности действуют три силы поверхностного натяжения:

F₁₂ = σ₁₂dl – между жидкостями 1 и 2;

F₁₃ = σ₁₃dl – между жидкостью 1 и газовой фазой;

F₂₃ = σ₂₃dl – между жидкостью 2 и газовой фазой.

Каждая из этих сил направлена по касательной к поверхности соприкосновения соответствующих двух сред; σ₁₂, σ₁₃ и σ₂₃ – соответствующие коэффициенты поверхностного натяжения.

Чтобы жидкость 2 находилась в равновесии, необходимо, чтобы сумма проекций всех трех сил на оси координат равнялась нулю, т.е.

, (1)

или

, (2)

Возводя оба равенства (2) в квадрат и сложив их, получим:

.

Обозначив θ₁ + θ₂ через θ, получим

(3)

Углы θ₁ и θ₂ называются краевыми углами. Краевые углы (при равновесии) определяются соотношением трех коэффициентов σ₁₂, σ₁₃ и σ₂₃ на границе соприкосновения жидкостей, т.е. соотношением молекулярных сил взаимодействия внутри каждой жидкости и между жидкостями. В частности соотношение между σ₁₂, σ₁₃ и σ₂₃ может быть таким, что cos θ = 1 и, значит θ = 0. Тогда жидкость 2 растекается тонким слоем по поверхности жидкости 1. В этом случае говорят, что жидкость 1 полностью смачивается жидкостью 2, или наоборот. Физически это означает, что сила F₁₃ по величине больше равнодействующей сил F₁₂ + F₂₃

F₁₃ ≥ F₁₂ + F₂₃ (4)

Из рис. видно что результирующая сила в этом случае направлена так, что она растягивает каплю. Если же F₁₃ < F₁₂ + F₂₃, то жидкость будет стягиваться до тех пор пока F₁₃ не станет равной F₁₂ + F_23.. Это и есть условие образования чечевицы:

F₁₃ = F₁₂ + F₂₃ (5)

Многие органические жидкости, например эфир, растекается на поверхности воды в монослой. Для таких жидкостей как бензин, керосин, олеиновая кислота и др., растекание наблюдается только для первых капель, пока поверхность не загрязнена. Это объясняется тем, что первые капли, растекаясь на поверхности воды, изменяют ее поверхностное натяжение настолько, что для новых капель возможно выполнение условий (5).

В данной работе используется явление растекания первой капли раствора олеиновой кислоты по поверхности воды. Измерения сводятся к определению массы капли и площади, занятой этой каплей на поверхности воды.

С помощью пипетки капают на поверхности воды, посыпанную опилками, одну каплю раствора олеиновой кислоты. Капля, растекаясь в мономолекулярный слой, образует круг, по диаметру D которого можно рассчитать площадь S_M, занимаемую одной молекулой олеиновой кислоты.

(6)

где N – число молекул олеиновой кислоты в одной капле. Если известна масса капли m, % содержания кислоты в растворе (α%) и молярная масса олеиновой кислоты (С₁₈Н₃₄О₂), то

(7)

где N_A – число Авогадро, μ = 282 г/моль. Отсюда

(8)

Горизонтальный и вертикальный размеры молекулы (d и l) оценим как

(9)

Выражая объема монослоя V, образованного каплей, и его площадь S, получим

(10)

где ρ – плотность олеиновой кислоты, равная ρ = 0.898 г/см³.

4. Порядок выполнения работы: