Что такое поверхностное натяжение жидкости?

Поверхностное натяжение – одно из занимательных физических свойств воды, продемонстрировать которое можно при помощи ряда простых экспериментов. С теоретической точки зрения, поверхностное натяжение – это результат сил Ван-дер-Ваальса, которые связывают между собой однородные молекулы, скрепляя их в неожиданно прочный слой. Однако не обязательно разбираться в физике межмолекулярных взаимодействий для того, чтобы своими глазами увидеть и доказать это явление. Предлагаемые проекты расскажут нам о том, какие именно опыты можно привести, что понадобится для их осуществления и как именно на их примере объяснить тему поверхностного натяжения воды.

Проект: “Почему плавает скрепка”

Хотите знать как именно некоторые жуки и, например, водомерки стоят и даже бегают по поверхности воды? Им помогает слой плотно сцепленных друг с другом молекул. Маленькие существа пользуются преимуществами собственного веса и перемещаются по этому слою не разрывая его. В данном случае в роли такого животного выступит канцелярская скрепка, которая продемонстрирует силу поверхностного натяжения в стакане с водой.

Что нам понадобится:

• вода (подойдет любая);
• канцелярские ножницы;
• бумажные полотенца;
• бумажная скрепка среднего размера;
• ватные палочки;
• небольшая миска или стакан (или другая емкость);
• моющее средство, стиральный порошок или и то, и другое.

Ход эксперимента:

1. Когда все материалы готовы, заполните выбранную емкость водой примерно на две трети.
2. Ножницами вырежьте из одного бумажного полотенеца небольшой квадратик.
3. На центр квадрата положите скрепку.
4. Аккуратно положите конструкцию на воду – сделайте так, чтобы квадратик коснулся воды всей поверхностью одновременно.
5. Ватной палочкой слегка “притопите” квадратик чтобы он насквозь пропитался водой.
6. Теперь уберите конструкцию из воды и добавьте в нее моющего средства или порошка. Тщательно размешайте.
7. Вырежьте из полотенца новый квадратик, просушите скрепку и соберите конструкцию, аналогичную первой.
8. Попробуйте снова разместить ее на воде и повторить все предыдущие действия.

Вывод:

В первом случае скрепка хорошо держалась на воде благодаря поверхностному натяжению – молекулы воды были плотно скреплены с молекулами воздуха и не давали ей утонуть. Как только чистую воду заменил раствор, то связь между молекулами ухудшилась – разнородные молекулы соединены гораздо слабее однородных, и они не могут удержать скрепку на поверхности.

Проект: “Поверхностное натяжение в стакане воды”

С точки зрения физики стакан всегда полон – он наполнен материей, будь то вода, воздух или что-либо ещё. Благодаря этому свойству мы можем перевернуть стакан не пролив ни капли воды.

Что нам понадобится:

• Стакан (или любая другая емкость которую будет удобно переворачивать);
• Квадрат картона размером чуть больше верхней части стакана;
• Вода;

Ход эксперимента:

1. Стоит проводить эксперимент заранее выбрав место и защитив окружающие предметы и поверхности и всю окружающую среду на случай неудачи – например, можно разместиться над раковиной.
2. Наполните стакан водой примерно на четверть.
3. Накройте стакан заготовленным кусочком картона.
4. Аккуратно придерживая картон рукой (так, чтобы он плотно прилегал к кромке стакана) быстро переверните стакан.
5. Придерживайте картон рукой на протяжении еще примерно 5 секунд.
6. Попробуйте убрать руку с картона.

Вывод:

Благодаря поверхностному натяжению жидкости воздух в стакане настолько плотно сцепляется с водой, что может перемещаться внутри стакана не выплескивалась из него.

Проект: “Эксперимент с перцем и мылом”

В этом эксперименте мы подробнее исследуем влияние примесей – в данном случае мыла – на свойство поверхностного натяжения воды. Наглядным примером в этом исследовании послужат кусочки молотого черного перца. Это очень быстрый, короткий, несложный и не требующий долгих приготовлений эксперимент, материалы для которого с легкостью можно найти на кухне практически любого дома.

Что нам понадобится:

• плоская емкость с достаточно большой поверхностью – например блюдце;
• вода;
• молотый черный перец;
• жидкое мыло (можно заменить средством для мытья посуды, оливковым маслом или лаком для укладки волос);
• зубочистки;
• бумага;
• простой карандаш.

Ход эксперимента:

1. Заполните блюдце водой на высоту примерно 2,5 сантиметра.
2. Аккуратно посыпьте перцем поверхность воды. Не сыпьте слишком много чтобы перец не утонул. Идеальный вариант – перец покрывает всю поверхность воды тонким однородным слоем.
3. Налейте на любую поверхность небольшое количество жидкого мыла.
4. Кончиком зубочистки возьмите немного мыла.
5. Погрузите кончик зубочистки в центр емкости с перцем.

Вывод:

В результате эксперимента при погружении в воду зубочистки с мылом перец разлетается в стороны и оседает на дно блюдца. Изучим реакцию перца, державшегося на поверхности за счёт поверхностного натяжения жидкости: перцу помогало его собственное свойство – гидрофобность, то есть способность соприкасаться с водой не впитывая ее и не намокая, но оставаясь полностью сухим. При добавлении хотя бы капли инородного вещества, молекулярный состав которого разительно отличается от состава воды, поверхностный слой начинает рушиться и больше не может удерживать весь перец.

Проект: “Влияние температуры и солености воды на ее поверхностное натяжение”

До этого все опыты производились над обычной водой, взятой при комнатной температуре. Но ведь кажется очевидной и зависимость коэффициента поверхностного натяжения и от таких факторов как, например, температура. Помимо этого мы уже выяснили, что нарушать связь между слоем молекул воды могут и некоторые типы инородных веществ – в таком случае логично попробовать добавить в воду растворимых примесей. В нашем случае в качестве последних вполне успешно послужат кристаллы поваренной соли, тщательно перемешанные с водой – таким образом мы будем изменять такое свойство воды как соленость, то есть количество растворенных минеральных солей на единицу жидкости.

Что нам понадобится:

• два стеклянных бокала (желательно из прозрачного стекла) или стакана объемом в 250 миллилитров или же любая другая прозрачная посуда подобного объёма;
• половина литра очищенной (лучше всего дистиллированной) воды;
• алюминиевая фольга, разрезанная на небольшие квадратные кусочки площадью примерно в 1 квадратный сантиметр (всего будет нужно шесть таких кусочков, но не лишним будет заранее заготовить и несколько запасных);
• белый рис (размер и форма самих рисинок могут быть любыми);
• холодильник;
• небольшая газовая или микроволновая печь, расположенная поблизости (также подойдёт любой нагревательный элемент или кипятильник);
• чистая поваренная соль без примесей;
• термометр/градусник (или любой прибор для измерения температуры);
• лист бумаги и скотч (можно заменить стикером или неперманентным маркёром, пишущим по стеклянной поверхности);
• небольшой пинцет;
• мерная ложка, стакан или любая другая мерная посуда маленького объема.

Ход эксперимента:

1. Для этой исследовательской работы о поверхностном натяжении воды выбранным способом пометьте один из бокалов надписью «чистая вода», а на втором напишите «NaCl» (натрий-хлор – это стандартная химическая формула для обычной поваренной соли).
2. Налейте в оба бокала по 250 миллилитров заготовленной чистой воды.
3. В емкость для соленой воды насыпьте 3 чайные ложки (примерно 21-30 грамм) соли. Тщательно перемешайте. Постарайтесь сделать так, чтобы на дне бокала не осталось соли (этого будет проще добиться если вы возьмете емкость с более плоским дном). Помните, что на то, чтобы полностью растворить соль в воде комнатной температуры неизбежно уйдёт некоторое время.
4. Поставьте оба бокала в холодильник или морозильную камеру и продержите их там до тех пор, пока температура воды в обоих не станет равна приблизительно 15 градусам Цельсия.
5. Достаньте бокалы и положите на поверхность каждого по квадратику фольги. Постарайтесь не согнуть и не утопить его.
6. При помощи пинцета положите на фольгу рисинку, затем ещё одну. Кладите рисинки до тех пор, пока фольга не утонет. Обратите внимание на количество рисинок, которые удалось положить (можете зафиксировать его на бумаге или сфотографировать).
7. Повторите предыдущий шаг для оставшегося бокала.
8. Теперь уберите фольгу и рис и оставьте бокалы до тех пор, пока они не нагреются до комнатной температуры.
9. Повторите алгоритм измерения поверхностного натяжения воды при различных температурах и уровнях солености, описанный в шагах с пятого по седьмой.
10. Снова уберите рис и фольгу из бокалов и удобным для вас способом нагрейте воду до 35 градусов Цельсия в обоих.
11. Повторите описанный выше алгоритм действий снова.
12. При необходимости продолжите эксперимент, последовательно повышая температуру до 40, а затем 45, 50 и 55 градусов Цельсия.
13. Сравните все результаты по количеству рисинок.

Вывод:

Итак, ответим на поставленный вопрос о том, как и почему поверхностное натяжение имеет зависимость от температуры и солёности воды. Количество рисовых зёрен, удержавшихся на поверхности воды, было для нас индикатором того, насколько сильно было поверхностное натяжение в каждом конкретном случае. Для каждого из бокалов можно построить график, демонстрирующий зависимость количества удержавшихся на плаву рисовых зёрнышек от температуры воды, а попарное сравнение показателей соленой и чистой воды даст понимание о том, как на этот же показатель влияет соленость.

Проанализировав то, как поверхностное натяжение зависит от температуры воды отметим что при нагревании оно уменьшается. Увеличение солености же, напротив, увеличивает его.

Проект: “Такая странная вода!”

Этот простой эксперимент не требует большого количества материалов и подойдет даже детям – как в качестве иллюстрации поверхностного натяжения воды, так и для практического освоения навыков проведения лабораторной работы и ее оформления.

Что нам понадобится:

• прозрачный одноразовый стаканчик из пластика;
• любая пипетка (будет достаточно небольшого объема);
• кувшин с водой;
• бумага для записей;
• письменные принадлежности (ручка, карандаш или маркер);
• полотенце (одно или несколько).

Ход эксперимента:

1. Сделайте предположение о том, сколько капель воды вместится в стакан и запишите его.
2. Заливайте в стакан по одной капле воды параллельно ведя их подсчет.
3. Продолжайте до тех пор, пока стакан не начнет переполняться.
4. Обратите внимание на выпуклую “линзу”, которая начинает образовываться на верхнем слое воды.
5. Продолжайте наполнять стакан до тех пор, пока из него не начнет выливаться вода.
6. Сравните результат с изначальным предположением. Обсудите свои наблюдения.

Вывод:

После определенного уровня наполнения стакана можно ожидать, что вода начнет выливаться – однако этого не происходит и стакан вмещает в себя еще несколько капель. При этом вода начинает выступать за пределы стакана, но все еще удерживается в нем за счет слоя с поверхностным натяжением, который со стороны выглядит как тонкая “кожа”, покрывающая воду. То, насколько заметен этот эффект также может зависеть от конфигурации сосуда.

Заключение

С помощью  экспериментов, мы разобрались в том, что такое поверхностное натяжение жидкости и его коэффициент и от чего он зависит. Пятый эксперимент позволил нам наблюдать это явление своими словами, а первый продемонстрировал его на более наглядном примере нетонущей канцелярской скрепки. Второй эксперимент был нужен для того, чтобы ещё более ярко продемонстрировать возможности физического явления, а пятый – чтобы проанализировать поверхностное натяжение воды при различных температурах и наличию минеральных солей в качестве примесей и даже составить график этих зависимостей.