Cel ćwiczenia :

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wpływu stężenia mydła na napięcie powierzchniowe.

Zagadnienia do ćwiczenia :

Napięcie powierzchniowe ρ cieczy powstaje w wyniku wzajemnego oddziaływania cząsteczek we wnętrzu i na powierzchni cieczy. Cząsteczki położone w warstwie powierzchniowej znajdują się w zupełnie innych warunkach jak cząsteczki znajdujące się we wnętrzu cieczy.

Rys. Siły wzajemnego oddziaływania cząsteczek we wnętrzu i na powierzchni cieczy

Siła wypadkowa działająca na cząsteczki położone na powierzchni jest skierowana w głąb cieczy i działa prostopadle do jej powierzchni i usiłuje zmniejszyć swobodną powierzchnię cieczy. Ciecz dąży zatem do zmniejszenia liczby cząsteczek na swojej powierzchni, a więc do osiągnięcia możliwie najmniejszej swobodnej powierzchni.

  W rzeczywistości sytuacja jest najczęściej bardziej skomplikowana - fazę II stanowią nie tylko cząsteczki pochodzące z fazy I ale także inne (np. powietrze), a faza I nie zawsze jest substancją ciekłą, może to być np. roztwór. W każdym jednak przypadku cząsteczki na granicy faz poddawane są innym siłom ze strony własnej fazy a innym ze strony fazy przyległej. Na powierzchni pojawia się pewna siła, zwana napięciem powierzchniowym, która próbuje cząsteczki z powierzchni "wciągnąć " w głąb, dąży do zmniejszenia powierzchni (aby osiągnąć minimum energii - "naturalne" dążenie wszelkiej materii). Im silniejsze siły spójności fazy I (siła "do wewnątrz") i im słabsze oddziaływanie z fazą II (siły "na zewnątrz") tym większa wartość napięcia powierzchniowego. 

Chcąc zwiększyć swobodną powierzchnię cieczy, trzeba wykonać pewną pracę na pokonanie napięcia powierzchniowego.

ρ = W/S (J/m²)

Miarą napięcia powierzchniowego cieczy jest stosunek wartości tej pracy do przyrostu powierzchni cieczy.
Wyrażając pracę w dżulach a zmianę powierzchni w m² otrzymujemy jako jednostkę napięcia powierzchniowego:

J/m² = N * m/m² = N/m

Napięcia powierzchniowe cieczy możemy zmieniać przez rozpuszczenie w cieczy obcej substancji, lub poprzez zmianę temperatury.
Substancje obniżające napięcie powierzchniowe noszą nazwę powierzchniowo czynnych do których zaliczamy mydła, niektóre kwasy sulfonowe i ich sole oraz inne związki organiczne.

Dzięki napięciu powierzchniowemu kropla wody ma kształt kuli . Napięcie powierzchniowe wody zmniejsza się przy wzroście temperatury . Woda charakteryzuje się najwyższym napięciem powierzchniowym ze wszystkich cieczy .

Efektem napięcia powierzchniowego jest np. utrudnione zanurzanie w cieczy ciał nie podatnych na zwilżanie tą cieczą (znika ono w momencie całkowitego zanurzenia takiego ciała). Innym zjawiskiem związanym z napięciem powierzchniowym jest podnoszenie się (np. woda) lub opadanie (np. rtęć) cieczy w wąskich rurkach, tzw. kapilarach - zjawisko to należy do zjawisk kapilarnych.

Substancjami zmniejszającymi napięcie powierzchniowe są tzw. surfaktanty czyli związki powierzchniowo czynne np. emulgatory oraz mydła i detergenty. Podobne do siebie charakterem ciecze z reguły mieszają się (reguła "podobne w podobnym"), natomiast nie chcą się mieszać ciecze polarne z niepolarnymi. Surfaktantami są najczęściej cząsteczki posiadające polarną głowę (np. spolaryzowane grupy funkcyjne ulegajace w roztworze jonizacji) oraz apolarny (niepolarny) ogon

(np. łańcuch alifatyczny). Ich działanie najczęściej polega na adsorpcji cząsteczek na granicy 2 faz w ten sposób, że część polarna jest skierowana do fazy bardziej polarnej co umożliwia utworzenie emulsji (roztworu koloidalnego).

Wnioski :

Pomiary prowadziłam w temperaturze 25⁰C, w której
=0,0718 N/m. Wyniki pomiarów napięcia powierzchniowego zestawiłam w tabeli. Z uwagi na trudności eksperymentalne związane z bezpośrednim wyznaczaniem promienia kapilary r , w badaniach napięcia powierzchniowego posłużyłem się metodą porównawcza. Na początku wykonałem pomiary z cieczą wzorcowa (wodą) o dokładnie znanej wartości napięcia powierzchniowego, a następnie prowadziłem pomiary z cieczą badaną. Wykonując serie pomiarów przy różnych głębokościach zanurzenia kapilary, wyeliminowałem w znacznym stopniu błędy związane z zanurzeniem kapilary w wodzie i cieczy badanej

Napięcie powierzchniowe mydła maleje ze wzrostem stężenia, co potwierdza fakt że mydło jest surfaktantem, czyli związkiem powierzchniowo czynnym.

---