Как определить поверхностное натяжение воды
Поверхностное натяжение — величина измеримая, и мерить её умеют по-разному: от лабораторных приборов за сотни тысяч рублей до опыта с пипеткой, который делают в школе. Разберём и то, и другое — а заодно простые домашние способы, которые не дадут точной цифры, но покажут, высокое натяжение у вашей воды или низкое.
Как это делают в лаборатории
| Метод | Суть |
|---|---|
| Метод отрыва кольца (Дю Нуи) | Платиновое кольцо погружают в жидкость и медленно тянут вверх, измеряя силу в момент отрыва плёнки. Классический метод, до сих пор в ходу |
| Метод пластины (Вильгельми) | Тонкую пластину касаются поверхности и измеряют силу втягивания. Точнее кольца и не требует поправок |
| Сталагмометрия — счёт капель | Считают, сколько капель получается из заданного объёма. Чем выше натяжение, тем капля крупнее и тем их меньше |
| Капиллярный подъём | Измеряют, на какую высоту вода поднимается в тонкой трубке. Чем выше натяжение, тем выше столбик |
| Анализ формы капли | Каплю фотографируют и по её контуру вычисляют натяжение. Современный цифровой способ |
Для бытовых задач ни один из них не нужен: результат для чистой воды известен заранее и зависит почти только от температуры — таблица значений есть в основной статье.
Формула, если нужна цифра
В школьных и студенческих задачах чаще всего используют метод счёта капель. Логика такая: капля отрывается, когда её вес превышает силу, удерживающую её на кончике трубки. Эта сила пропорциональна длине окружности кончика и коэффициенту натяжения.
Отсюда практический приём: берут две жидкости — исследуемую и воду с известным натяжением, — прогоняют через одну и ту же пипетку одинаковый объём и считают капли. Отношение числа капель даёт отношение коэффициентов. Так избавляются от необходимости точно знать диаметр кончика.
Три домашних способа оценить натяжение
Точной цифры они не дадут, но для практики её и не нужно: важно понять, высокое натяжение или низкое, и как оно меняется.
Капля на бумаге
Капните воду на плотную бумагу, салфетку или лист растения. Если капля собралась шариком и стоит, почти не расплываясь, — натяжение высокое, вода плохо смачивает поверхность. Если капля тут же расплылась и впиталась — натяжение ниже, смачивание лучше.
Опыт становится наглядным, если сравнить рядом три капли: холодной воды из-под крана, тёплой и воды с растворённой крупинкой мыла. Разница видна невооружённым глазом, и это, по сути, тот же эффект, который работает при стирке и заваривании.
Скрепка на поверхности
Положите канцелярскую скрепку плашмя на поверхность воды в чистом стакане — она будет лежать, хотя сталь тяжелее воды. Держит её именно поверхностная плёнка. Теперь капните в стакан каплю моющего средства: скрепка мгновенно утонет, потому что плёнка разрушена.
Счёт капель
Наберите одинаковый объём в пипетку или шприц без иглы и посчитайте, сколько капель выйдет из холодной воды, а сколько — из горячей, остывшей до тёплого. У горячей капли мельче, и их получится больше. Это тот же лабораторный метод, только на кухне.
Чего измерение не покажет
Поверхностное натяжение ничего не говорит о составе воды: ни о минералах, ни о жёсткости, ни о загрязнениях. Две пробы с одинаковым натяжением могут отличаться по составу как родник от дистиллята.
Поэтому для оценки питьевой воды нужны другие измерения: минерализация, жёсткость, кислотность и ОВП. Натяжение — про поведение воды на границе с воздухом, а не про то, что в ней растворено.
Что делать, если хочется, чтобы вода лучше смачивала и заваривала, — в статье как снизить поверхностное натяжение воды.
Вопросы об определении поверхностного натяжения
Точной цифры дома не получить, но оценить можно тремя способами: капля на бумаге (собралась шариком — натяжение высокое, расплылась — ниже), скрепка на поверхности (лежит — плёнка целая) и счёт капель из пипетки для холодной и тёплой воды.
В школьном методе счёта капель сравнивают исследуемую жидкость с водой: через одну пипетку пропускают одинаковый объём и считают капли. Отношение числа капель даёт отношение коэффициентов, и точный диаметр кончика знать не требуется.
Тензиометром. В нём реализуют метод отрыва кольца или метод пластины: измеряют силу, с которой плёнка удерживает кольцо или пластину. Современные приборы считают натяжение по форме капли на фотографии.
Её удерживает поверхностная плёнка: молекулы верхнего слоя стянуты друг к другу и распределяют вес. Как только в воду добавляют каплю моющего средства, плёнка рвётся, и скрепка идёт ко дну.
Нет. Поверхностное натяжение не зависит от состава: минералы меняют его незначительно и в сторону повышения. Качество питьевой воды определяют по минерализации, жёсткости, кислотности и ОВП.
Источники
Нормативные документы, публикации ВОЗ и рецензируемые исследования, на которых основаны цифры в этой статье.
- Vargaftik N. B., Volkov B. N., Voljak L. D. International Tables of the Surface Tension of Water Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1983, т. 12, вып. 3, с. 817–820. DOI 10.1063/1.555688 Публикация по DOI Справочные значения поверхностного натяжения воды в диапазоне от 0 до 100 градусов: 75,6 мН/м при 0, 72,7 при 20, 58,9 при 100.
- IAPWS R1-76. Revised Release on Surface Tension of Ordinary Water Substance International Association for the Properties of Water and Steam, 2014 Документ IAPWS Международно признанное уравнение зависимости поверхностного натяжения воды от температуры.
- Ali K., Shah A. A., Bilal S. Surface Tension and Surface Properties of Aqueous Solutions of Electrolytes Colloids and Surfaces A, 2009, т. 337, с. 194–199. DOI 10.1016/j.colsurfa.2008.12.023 Публикация по DOI Растворённые соли повышают поверхностное натяжение воды относительно чистой — количественные данные по электролитам.
Комментарии