Praktikum 2

Povrchové napětí kapalin a smáčení povrchů

Váš úkol: Prozkoumejte, jak se kapky vody chovají na různých površích. Pomocí fotografií určete přibližné kontaktní úhly a porovnejte smáčivost materiálů.

Ve druhé části praktika změříte hmotnost kapek čisté vody, vody s prostředkem na mytí nádobí a případně také lihu. Z výsledků odhadnete povrchové napětí kapalin.

1. Pomůcky

  • Injekční stříkačky bez ostrých jehel.
  • Čistá voda.
  • Voda s malým množstvím Jaru.
  • Líh (volitelně).
  • Různé povrchy, například sklo, plast, kov nebo voskovaný papír.
  • Digitální váha.
  • Malé nádobky na zachycování kapek.
  • Mobilní telefon s fotoaparátem.
  • Počítač nebo mobil pro zpracování výsledků.

Bezpečnost: Líh je hořlavý. Pracujte pouze s malým množstvím, mimo dosah otevřeného ohně a horkých předmětů. Nádobku s lihem po použití uzavřete.

Nepijte používané kapaliny a po práci si umyjte ruce.

2. Část A – Vodní kapky na různých površích

Postup měření

  1. Připravte několik různých povrchů. Měly by být čisté, suché a přibližně vodorovné.
  2. Pomocí injekční stříkačky naneste na každý povrch malou kapku čisté vody. Snažte se, aby všechny kapky měly přibližně stejný objem.
  3. Pozorujte tvar kapek. Na kterých površích se voda rozlévá? Kde vytváří vysoké, zaoblené kapky?
  4. Vyfotografujte každou kapku z boku, přibližně ve výšce povrchu. Za kapku můžete umístit jednobarevné pozadí, aby byl její obrys dobře viditelný.
  5. Otevřete fotografie v mobilu nebo na počítači a pokuste se určit kontaktní úhel.
  6. Fotografie s vyznačenými úhly vložte do protokolu a porovnejte výsledky.

Co je kontaktní úhel?

Kontaktní úhel θ je úhel mezi povrchem pevné látky a tečnou k povrchu kapky v místě jejich styku. Měří se uvnitř kapaliny.

Čím menší je kontaktní úhel, tím lépe kapalina daný povrch smáčí.

Schéma kontaktního úhlu kapky na pevném povrchu
Obr. 1: Schéma kontaktního úhlu kapky na pevném povrchu. Zdroj: Ranjithsiji, Wikimedia Commons . Public domain.

Jak změřit kontaktní úhel z fotografie?

  1. Otevřete fotografii. Použijte editor obrázků, který umožňuje kreslit čáry a měřit úhly. Na počítači můžete použít například ImageJ.
  2. Vyznačte povrch podložky. Nakreslete přímku podél povrchu, na kterém kapka leží.
  3. Najděte bod styku. Určete místo, kde se obrys kapky setkává s podložkou.
  4. Nakreslete tečnu. V místě styku veďte přímku, která co nejlépe odpovídá směru obrysu kapky těsně u podložky.
  5. Změřte úhel. Určete úhel mezi podložkou a tečnou, který leží uvnitř kapky.
  6. Měření zopakujte. Pokud je to možné, určete úhel na levé i pravé straně kapky. Obě hodnoty porovnejte a vypočítejte jejich průměr.

Pozor: Tečna se může obtížně určovat, zejména u velmi plochých kapek. Pokud se vám nepodaří úhel změřit přesně, zaznamenejte alespoň přibližnou hodnotu a vysvětlete, proč je měření nejisté.

Důležitější než přesnost na jednotlivé stupně je správně určit, který povrch voda smáčí lépe.

Kontaktní úhel Chování kapaliny
θ < 90° Dobré smáčení povrchu
θ = 90° Hraniční případ
θ > 90° Špatné smáčení povrchu

Úkol: Seřaďte zkoumané povrchy od nejlépe smáčeného po nejhůře smáčený. Uveďte přibližné kontaktní úhly.

Do protokolu vložte alespoň dvě fotografie kapek s výrazně odlišným kontaktním úhlem. Do fotografií zakreslete tečny a vyznačte naměřené úhly.

Proč mají kapky na různých površích odlišný tvar?

Tvar kapky ovlivňuje nejen povrchové napětí kapaliny, ale také interakce mezi kapalinou a pevným povrchem.

Na některých materiálech je energeticky výhodnější, aby se voda rozprostřela do větší plochy. Na jiných se naopak udržuje v podobě zaoblené kapky.

Proto stejná voda může na skle vypadat jinak než na voskovaném nebo hydrofobním povrchu.

3. Část B – Měření povrchového napětí

Nyní budeme zkoumat, jak se liší povrchové napětí různých kapalin. Využijeme skutečnost, že při pomalém odkapávání souvisí hmotnost odtržené kapky s povrchovým napětím kapaliny.

Postup měření

  1. Připravte injekční stříkačku s čistou vodou.
  2. Zvažte prázdnou suchou nádobku a zaznamenejte její hmotnost.
  3. Držte stříkačku svisle, ústím dolů. Pomalu vytvářejte jednotlivé kapky, které budou odkapávat do nádobky.
  4. Nechte odkapat přesně 50 kapek.
  5. Zvažte nádobku s vodou. Z rozdílu hmotností určete hmotnost všech 50 kapek.
  6. Stejný postup zopakujte s vodou obsahující Jar a případně také s lihem.

Důležité: Pro všechna měření používejte stejnou stříkačku nebo stříkačky se stejným ústím.

Kapky vytvářejte pomalu a pokud možno stejným způsobem. Před změnou kapaliny stříkačku důkladně vypláchněte a odstraňte zbytky předchozí kapaliny.

Pozor na přesnost: Pokud jsou kapky příliš malé, může být hmotnost 50 kapek obtížné přesně změřit. V takovém případě zvyšte počet kapek například na 100.

Počet kapek musí být vždy známý. Pro jednotlivé kapaliny nemusí být stejný, protože budeme počítat průměrnou hmotnost jedné kapky.

Zpracování naměřených hodnot

Nejprve vypočítejte hmotnost všech kapek:

m = mplná − mprázdná

Průměrnou hmotnost jedné kapky vypočítáte:

mkapka = m / n

Kde n je počet kapek.

Kapalina Počet kapek n Hmotnost kapek [g] Hmotnost jedné kapky [g]
Čistá voda
Voda s Jarem
Líh

Výpočet povrchového napětí

Při pomalém odkapávání se kapka odtrhne ve chvíli, kdy její tíhová síla překoná sílu, která ji drží na ústí stříkačky.

Pro přibližné srovnání dvou kapalin můžeme použít vztah:

σx ≈ σv · mx / mv

Kde:

  • σx je hledané povrchové napětí zkoumané kapaliny,
  • σv je známé povrchové napětí čisté vody,
  • mx je průměrná hmotnost jedné kapky zkoumané kapaliny,
  • mv je průměrná hmotnost jedné kapky čisté vody.

Povrchové napětí čisté vody při teplotě přibližně 20 °C je:

σv ≈ 72,8 mN/m

Pomocí tohoto vztahu vypočítejte povrchové napětí vody s Jarem a případně také lihu.

Omezení metody: Uvedený vztah je přibližný. Při odtržení kapky záleží také na tvaru ústí stříkačky, smáčení jejího povrchu a rychlosti vytváření kapek.

Výsledky proto představují odhad povrchového napětí, nikoli přesné laboratorní měření.

4. Grafické zpracování

Vytvořte sloupcový graf, ve kterém porovnáte vypočtená povrchová napětí jednotlivých kapalin.

  • Vodorovná osa: zkoumaná kapalina.
  • Svislá osa: povrchové napětí σ [mN/m].
0 20 40 60 80 Čistá voda Voda s Jarem Líh Povrchové napětí σ [mN/m]
Obr. 2: Ilustrační porovnání povrchového napětí čisté vody, vody s Jarem a lihu. Hodnoty slouží pouze k ukázce podoby grafu. Vlastní graf vytvořte ze svých naměřených dat.

Otázka: Která kapalina má největší povrchové napětí? Která nejmenší? Odpovídá výsledek tomu, co jste očekávali?

5. Diskuze výsledků

V diskuzi se pokuste odpovědět na následující otázky:

  1. Na kterém povrchu se voda nejvíce rozlévala? Na kterém vytvářela nejkulatější kapky?
  2. Jaké kontaktní úhly jste určili? Jak spolehlivé jsou vaše hodnoty?
  3. Proč má stejná voda na různých površích odlišný tvar?
  4. Jak ovlivnilo přidání Jaru povrchové napětí vody?
  5. Jaké byly hlavní zdroje nepřesností při měření hmotnosti kapek?
  6. Proč je důležité používat při srovnávání kapalin stejný typ ústí stříkačky?
  7. Je možné z tvaru kapky na pevném povrchu přímo určit povrchové napětí kapaliny? Vysvětlete.
Proč Jar snižuje povrchové napětí vody?

Prostředky na mytí nádobí obsahují povrchově aktivní látky, které se označují jako tenzidy.

Jejich molekuly se hromadí na rozhraní vody a vzduchu a mění energetické poměry na tomto rozhraní. Tím se povrchové napětí vody obvykle výrazně snižuje.

Díky tomu může voda s prostředkem na mytí nádobí snáze pronikat do úzkých mezer a smáčet některé povrchy.

Proč se povrchové napětí mění s teplotou?

Povrchové napětí většiny kapalin s rostoucí teplotou klesá.

Při vyšší teplotě se mění uspořádání a vzájemné působení molekul na rozhraní kapaliny a vzduchu.

Proto je při přesném měření důležité zaznamenat také teplotu kapaliny.

6. Závěr

Ve svém závěru stručně shrňte:

  • Jak se lišila smáčivost zkoumaných povrchů.
  • Jaká povrchová napětí jste určili pro jednotlivé kapaliny.
  • Zda výsledky odpovídají vašemu očekávání.
  • Co jste se díky experimentu dozvěděli o povrchových vlastnostech kapalin.

Závěr by měl vycházet z vašich vlastních výsledků, nikoli pouze opakovat teoretické informace.

7. Co má obsahovat protokol?

  • Cíl: Co jste chtěli zjistit?
  • Pomůcky a postup: Jak jste zkoumali smáčivost a měřili hmotnosti kapek?
  • Fotografie: Kapky vody na různých površích s vyznačenými kontaktními úhly.
  • Naměřené hodnoty: Kontaktní úhly, počty kapek a jejich hmotnosti.
  • Výpočty: Průměrná hmotnost kapky a povrchové napětí kapalin.
  • Graf: Porovnání povrchového napětí jednotlivých kapalin.
  • Diskuze: Vysvětlení výsledků a hlavních zdrojů nepřesností.
  • Závěr: Stručné shrnutí zjištění.

8. Kontrolní seznam

Reference

  1. Vodní kapky na různých površích . Fyzikální pokusy.
  2. Měření povrchového napětí kapaliny . Fyzikální pokusy.
  3. Contact angle schematic . Wikimedia Commons.
  4. ImageJ – Image Processing and Analysis in Java . National Institutes of Health.