17.03.2009r.

SPRAWOZDANIE Z DOŚWIADCZEŃ Z ZAKRESU FIZYKI CZĄSTECZKOWEJ

(część I)

Doświadczenia z tej kategorii dotyczyły hipotezy budowy cieczy i ciał stałych, a także występowania sił międzycząsteczkowych. Wśród nich były także takie, które wymagały przeprowadzenia pomiarów napięcia powierzchniowego wody. Wszystkie te pokazy pomogły mi zrozumieć i zapamiętać, jak pokazać wymienione zjawiska innym.

Wraz z koleżanką zaczęłyśmy od doświadczeń ukazujących atomową budowę ciał stałych i cieczy:

DOŚWIADCZENIE 1:

Doświadczenie polega na tym, że do wysokiego naczynia wsypuje się pewną ilość grochu (rys.1) i dosypuje określoną ilość kaszy (rys.2). Następnie należy odczytać poziom jaki razem obydwie te substancje osiągnęły. W przypadku naszego doświadczenia było to 184 cm³. Później trzeba porządnie wymieszać ziarenka, najlepiej zakrywając górę naczynia ręką, aby nic się nie wysypało i ponownie odczytać poziom jaki one osiągnęły (rys.3). Wynik odczytany przez nas to: 160 cm³.

Zastanawia nas, dlaczego mimo, że żadne ziarenka się nie wysypały, poziom ten tak wyraźnie zmalał. Stało się tak dlatego, że drobna kasza wypełniła szczeliny między dużymi ziarnami grochu. Wiadomo, że cała materia zbudowania jest atomów, które modelowo podobne są do drobnych ziaren. Powinno się zatem tak dziać również z innymi substancjami, np. cieczami, w których nie widać tego, że są one zbudowane z drobniutkich ziarenek. Takie mniej oczywiste wnioski można wyciągnąć z kolejnych doświadczeń.

DOŚWIADCZENIE 2:

Doświadczenie to jest bardzo podobne do poprzedniego. Polega ono na tym, aby do wysokiego naczynia wlać wodę i dosypać do niej soli. Zanim przystąpi się do mieszania, które należy wykonać w celu rozpuszczenia soli, należy zapisać poziom jaki osiągają wspólnie te substancje. W naszym przypadku było to 50 cm³. Po rozpuszczeniu soli zanotowałyśmy ponownie poziom. Wyniósł on wtedy 48 cm³.

Dochodzimy zatem do takiego samego wniosku jak w poprzednim doświadczeniu, a mianowicie: mniejsze cząsteczki „weszły” w luki pomiędzy cząsteczkami większymi i stąd spadek objętości roztworu po wymieszaniu w stosunku do tej sprzed wymieszania.

DOŚWIADCZENIE 3:

Jest ono także analogiczne do poprzednich. Polega na tym, że do wysokiego naczynia, wlać wodę a następnie dolać do niej alkoholu etylowego. W tym momencie należy zaznaczyć poziom. My zanotowałyśmy 31 cm³. Później trzeba wymieszać porządnie obydwie ciecze ze sobą i ponownie odczytać poziom jaki osiągają. W naszym przypadku wyniósł on 30 cm³.

Wnioski nasuwają się identyczne do poprzednich. Warto jednak zauważyć jeszcze, że zjawisko to zachodzi tak samo, dla mieszanin ciał stałych (dośw.1), ciał stałych i cieczy (dośw.2) oraz cieczy (dośw.3).

Następnie przeszłyśmy do doświadczeń związanych z siłami międzycząsteczkowymi i napięciem powierzchniowym wody:

DOŚWIADCZENIE 4:

Polegało ono na tym, aby zaobserwować jak wobec siebie zachowują się dwie, płasko zeszlifowane płytki szklane. Czy występują między nimi zauważalne siły przyciągania? Nie zaobserwowałyśmy niczego takiego. Płytki można pocierać o siebie nie wkładając w to prawie żadnej siły.

Między cząsteczkami tej samej substancji występuje spójność - rodzaj oddziaływania międzycząsteczkowego. W zależności o rodzaju substancji i odległości może być ono silne lub słabe. Jak widać spójność między cząsteczkami szkła jest dosyć słaba. Spowodowane jest to głównie tym, że cząsteczki szkła są w dosyć dużych odległościach od siebie w stosunku do swoich rozmiarów (nie widać przecież cząsteczek czy atomów szkła, ponieważ są one bardzo malutkie).

DOŚWIADCZENIE 5:

Polega ono na tym, aby powtórzyć poprzednie doświadczenie, ale należy najpierw zwilżyć leciutko płytki wodą. Teraz siły przyciągania się płytek znacznie wzrosły, trzeba włożyć sporą siłę, aby je pocierać o siebie, nie mówiąc już o rozdzieleniu.

Między cząsteczkami różnych substancji występuje przyleganie - kolejny rodzaj oddziaływania międzycząsteczkowego. Siła przylegania także zależy od rodzaju cząsteczek i odległości między nimi. Jak widać z doświadczenia, przyleganie między wodą i szkłem jest bardzo duże. Spowodowane jest to głownie tym, że nawet bardzo porządnie zeszlifowane szkło nie jest idealnie gładkie. Ma ono na swojej powierzchni niezauważalną chropowatość. Cząsteczki szkła z drugiej płytki nie mogły znaleźć się zatem zbyt blisko cząsteczek szkła pierwszej płytki. Cząsteczki wody natomiast mają większą swobodę, mogą „wślizgnąć się” w pory na powierzchni szkła, dzięki czemu znajdują się naprawdę blisko. Z racji tego, siły przylegania działają z dużo mniejszych odległości, dzięki czemu są zauważalnie silniejsze.

W życiu codziennym można zaobserwować wiele sytuacji, w których ważną rolę odgrywają siły przylegania. Na przykład bardzo słabe siły przylegania występują między wodą i tłuszczem. Jeżeli polejemy kilka kropel wody na tłustą patelnię możemy zauważyć, że nie mieszają się one z tłuszczem. To samo zauważymy obserwując pióra kaczki zamoczone w wodzie. Krople wody spływają po piórach, ponieważ są one pokryte warstwą tłuszczu. Ciekawe są również kleje. Ich duża przyczepność do ciał stałych spowodowana jest silnym oddziaływaniem cząsteczek kleju z cząsteczkami ciał stałych. Twardniejąc, cząsteczki kleju spajają w sposób trwały powierzchnie jednakowych lub różnych materiałów. Kleje poza tym, charakteryzują się dużymi siłami spójności, dzięki czemu są odporne na rozrywanie.

DOŚWIADCZENIE 6:

Doświadczenie to polega na tym, ze do dwóch zlewek nalewa się wody i powierzchnię jednej posypuje talkiem. Następnie należy zanurzyć suche palce. Zaobserwowałyśmy, że przy zanurzaniu palca w zlewce z talkiem, wyjmujemy go zupełnie suchego (ale pokrytego talkiem), natomiast przy zanurzeniu go w drugiej zlewce, wyciągamy go mokrego.

Wnioskiem wyciągniętym z tego doświadczenia jest stwierdzenie, że siły przylegania między palcem a talkiem są większe niż te między talkiem a wodą i te między wodą a palcem. Dlatego też talk chroni przed zmoczeniem palca, sam „przylepiając” się do skóry. Poza tym, przy wkładaniu palca do zlewki z czystą wodą obserwujemy większe siły przylegania między palcem i wodą, niż siły spójności wody.

DOŚWIADCZENIE 7:

Doświadczenie to polega na tym, aby na powierzchnię wody, wlanej do szerokiego naczynia, kłaść delikatnie monety (lżejsze i cięższe) oraz żyletki. Obserwuje się, że cięższe monety zanurzają się natychmiast, a lekkie monety i również żyletki pozostają na powierzchni wody, która ugina się lekko pod ich ciężarem, jak mocno napięta błona.

Doświadczenie to pozwala nam zaobserwować powstawanie napięcia powierzchniowego, w postaci delikatnej błonki, która odgradza ciecz od powietrza. Jest ona na tyle silna, że może utrzymać leciutkie przedmioty, najlepiej o jak największej powierzchni.

Błonka ta zauważalna jest na poniższych rysunkach:

DOŚWIADCZENIE 8:

Doświadczenie składa się z dwóch kroków.

a) Pierwszy to powolne dolewanie rozcieńczonego płynu do mycia naczyń do naszego naczynia z pływającymi żyletkami z poprzedniego doświadczenia. Obserwujemy, że już po wlaniu niewielkiej ilości płynu zatapia się lekka moneta. Po dolaniu jeszcze pewnej ilości zatapiają się także żyletki.

Dochodzimy do wniosku, że dolewanie płynu do naczyń (lub po prostu innego detergentu) powoduje zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody. Powłoka ta staje się bardziej rozciągliwa, błona powierzchniowa z czasem pęka.

b) Drugi to zanurzanie ramki z drutu w roztworze wody z płynem do naczyń. Staramy się by pomoczyć dokładnie każdą ściankę. Powstaje nam na tej ramce przestrzenna figura przedstawiona na poniższym rysunku:

Figura ta jest powierzchnią najmniejszą ze wszystkich, które jest w stanie osiągnąć taki kształt ramki. Powierzchnię błony stara się zmniejszyć napięcie powierzchniowe. Powierzchnie o takich własnościach nazywamy powierzchniami minimalnymi.

DOŚWIADCZENIE 9:

Doświadczenie to polega na tym, aby przy pomocy rozgałęzionej słomki i płynu do naczyń utworzyć dwie bańki mydlane o różnych promieniach. Później trzeba obserwować ich zachowanie. Bańki te kurczą się.

Kurczenie się baniek spowodowane jest tym, że dążą one także do osiągnięcia takiego kształtu, by mieć jak najmniejszą powierzchnię. Czyli występuje tu analogia do wniosku z poprzedniego doświadczenia. Bańki mydlane kurczą się, aby uzyskać kształt powierzchni minimalnej.

DOŚWIADCZENIE 10:

Doświadczenie to polega na obserwacji menisku cieczy zwilżającej ścianki naczynia. Obserwujemy menisk tworzony przez wodę i alkohol. Obydwa są wklęsłe.

Znane są dwa rodzaje menisku: wklęsły i wypukły. Menisk wklęsły możemy zaobserwować na styku wody i naczynia. Powierzchnia wody nie jest zupełnie płaska, ale zakrzywia się ku górze w miejscu zetknięcia ze szkłem. Menisk wklęsły powstaje, gdy siły przylegania pomiędzy cieczą a szkłem są większe niż siły spójności cieczy, a jak wiadomo z wcześniejszych doświadczeń tak właśnie jest w przypadku wody. Menisk wypukły natomiast można zaobserwować patrząc na termometr rtęciowy. Tworzy się on, gdy siły spójności cieczy są większe niż siły przylegania pomiędzy cieczą a szkłem.

Menisk wklęsły i wypukły przedstawiają poniższe schematyczne rysunki:

DOŚWIADCZENIE 11:

W przypadku tego doświadczenia należy obserwować zjawisko wznoszenia się cieczy w naczyniach włosowatych. Rurki włoskowate przedstawione są na poniższym rysunku. Mają one bardzo małe średnice, przy czym każda następna rurka ma średnicę mniejszą od poprzedniej. Rurki te są otwarte z góry. Obserwacja prowadzi do wniosku, że im mniejsza średnica rurki tym wyżej ciecz się podnosi. Cieczą wykorzystaną w naszym doświadczeniu była woda zabarwiona atramentem.

Zaobserwowane zachowanie się wody w rurkach włoskowatych ma również związek z siłami przylegania i spójności. Powierzchnia wody w rurkach jest tak mała, że prawie niezauważalny jest menisk. Siły przylegania wody do szkła są jednak nadal większe niż siły spójności między cząsteczkami wody. Można zatem wywnioskować, że woda po prostu „wspina się” po ściankach naczynia, a im węższe naczynie tym większa rola sił przylegania w stosunku do sił spójności, a zatem woda będzie się wspinać wyżej.

Rola naczyń włoskowatych jest ogromna. Na przykład biorąc pod lupę przyrodę, zaobserwujemy, że rośliny składają się z wielu długich i bardzo cienkich cząsteczek celulozowych, których ścianki zwilża woda. Są to zatem naczynia włoskowate, dzięki czemu woda może podnosić się do góry, a roślina zostaje nawodniona od korzenia po sam czubek. Również człowiek ma wiele naczyń włosowatych w swoim organizmie, dzięki czemu krew dociera do wszystkich komórek ciała.

Na koniec doświadczeń wykonałyśmy dwa pomiary:

1) Wykorzystałyśmy naczynia włosowate do pomiaru napięcia powierzchniowego. W książce pt. „Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki” Tadeusza Dryńskiego znalazłyśmy następujący wzór, który pozwoli nam obliczyć napięcie powierzchniowe wody w tych rurkach:

, gdzie

h - wysokość słupa cieczy,

d - gęstość cieczy,

g - przyspieszenie ziemskie,

r - promień rurki.

Obliczenia:

Pierwsza rurka:

Druga rurka:

Trzecia rurka:

Czwarta rurka:

Piąta rurka:

Wniosek: Im węższa rurka tym mniejsza wartość napięcia powierzchniowego.

2) Wykonałyśmy jeszcze jeden rodzaj pomiaru napięcia powierzchniowego. Użyłyśmy do tego stalagmometru. Najpierw nieduży szklany pojemnik dokładnie wyczyściłyśmy i osuszyłyśmy, po czym zważałyśmy go, tarując wagę. Następnie wypuściłyśmy na niego 20 równych kropel ze stalagmometru, którego przewężenie w miejscu odrywania kropli ma 2,8 mm średnicy. Zważenie tych kropel wody dało nam wynik 1,26 g. Napięcie powierzchniowe można w tym przypadku policzyć ze wzoru:

, gdzie:

m - masa kropli,

g - przyspieszenie ziemskie,

r - promień przewężenia stalagmometru.

Obliczenia:

Wartość napięcia powierzchniowego odczytana z tablic fizycznych to:

Napięcie powierzchniowe mierzone drugą metodą wyszło największe. Natomiast wartość odczytana z tablic jest najmniejsza ze wszystkich otrzymanych wyników.

---