Методы определения поверхностного натяжения

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные методы определения поверхностного натяжения.

Метод капиллярного поднятия.

Разность давлений, возникающая по обе стороны от поверхности жидкости при её искривлении, называется капиллярным давлением. Если капилляр опустить в жидкость, то за счет смачивания или несмачивания стенок капилляра образуется мениск, т.е. искривление поверхности жидкости и возникает капиллярное давление. Под его влиянием граница жидкости перемещается до тех пор, пока не установится равновесие между гидростатическим давлением и капиллярным. При этом смачивающая жидкость поднимается, а несмачивающая опускается. Высота капиллярного поднятия h зависит от поверхностного натяжения жидкости - измерив h можно рассчитать s.

Сталагмометрический метод (метод взвешивания капель)

Масса капли жидкости, вытекающей из капилляра, определяется интенсивностью сил поверхностного натяжения: чем больше s, тем большую по размерам каплю они способны удержать. Для равных объёмов двух жидкостей с плотностью r_o и r и поверхностным натяжением s₀ и s существует соотношение:

Измерив сначала число капель n₀ жидкости, поверхностное натяжение s_o и плотность r_o которой известны (обычно это вода), а затем - число капель n исследуемой жидкости, вытекающей из того же объема, рассчитывают по данной формуле искомое поверхностное натяжение исследуемой жидкости s.

Схема установки для проведения измерений представлена на рисунке 14.Сталагмометр закрепляют на штативе так, чтобы измерительный капилляр был строго вертикальным. Исследуемую жидкость из бюкса 3 засасывают с помощью груши в сталагмометр до уровня выше верхней метки 1 и дают возможность вытекать через капилляр. Начинают отсчет капель при достижении мениском метки 1 и заканчивают – после прохожденияжидкостью нижней метки 2. Вытекающую жидкость собирают в бюксе 3. Проводят 3-5 замеров числа капель и рассчитывают среднее арифметическое значение . Поверхностное натяжение вычисляют по приведенному выше уравнению для s.

Рис.14. Схема установки сталагмометрического измерения s.

Метод максимального давления пузырьков воздуха.

Метод основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырьков газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр. Росту пузырька, другими словами, увеличению поверхности раздела фаз препятствуют силы поверхностного натяжения. И чем больше s, тем больше следует приложить усилий (создать внутреннее давление), чтобы выдуть пузырек в жидкость. В момент его отрыва от кончика капилляра внутреннее давление максимально и пропорционально s. Кончик капилляра должен лишь смачиваться жидкостью и слегка приподнимать мениск вверх. При таком условии поправкой на гидростатическое давление при образовании пузырьков можно пренебречь.

Максимальное давление в пузырьке можно измерить с помощью прибора Ребиндера (в модификации С.Н.Алёшина), изображенного на рисунке 15.

Он состоит из измерительной ячейки, в которую наливается исследуемая жидкость. Капилляр соединен резиновой трубкой (2) с буферным шариком (7), в котором воздух сжимается водой, поступающей из воронки (6). Создаваемое в системе давление измеряется по разности уровней жидкости в коленах U- образного манометра (1).

1. манометр;

2. соединительная резиновая трубка;

3. трубка для слива воды;

4. капилляр;

5. трехходовой кран;

6. воронка для водопроводной воды;

7. буферный шарик.

Рис.15. Прибор для определения поверхностного натяжения жидкостей методом наибольшего давления пузырьков воздуха:

Измерение поверхностного натяжения жидкостей заключается в следующем: исследуемую жидкость заливают в измерительную ячейку, опускают в неё капилляр так, чтобы он едва касался поверхности жидкости. В момент проскока пузырек воздуха должен преодолевать сопротивление только поверхностного слоя жидкости.

Если теперь в капилляр сверху под давлением h (разность уровней манометра) подать воздух, то он будет вытеснять исследуемую жидкость из капилляра. Как только давление окажется чуть больше силы, удерживающей жидкость в капилляре, из капилляра проскочит пузырёк воздуха. Таким образом, получается, что поверхностное натяжение пропорционально давлению h, измеряемому манометром в момент отрыва пузырька воздуха.

Значение s не равно давлению h, а лишь пропорционально ему. Поэтому для измерения поверхностного натяжения необходимо ячейку прибора Ребиндера прокалибровать, используя жидкость (стандартную жидкость) с известным s. Обычно с этой целью применяют воду, для которой s₀ = 72,8×10^-3 Дж/м² при 20⁰С. Измеряют максимальное давление h₀ в пузырьке газа, выдавливаемом в воду. Далее рассчитывают константу ячейки k:

(1)

Измерив максимальное давление h в пузырьке газа, выдавливаемом в исследуемую жидкость, по известному k вычисляют её поверхностное натяжение:

s = k h (2)

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое сорбция и каковы ее виды?

2. Что такое молекулярная адсорбция и каким уравнениям она подчиняется?

3. Что такое изотерма адсорбции. Изотермы адсорбции по Ленгмюру и Фрейндлиху.

4. Ионно-обменная адсорбция. Уравнение Гапона-Никольского.

5. Что такое поверхностное натяжение и методы его измерения?

6. Какие вещества являются поверхносто-активными? Как построены их молекулы.

7. Уравнение Гиббса и его анализ.

8. Смачивание и его мера.

Экспериментальная часть.

Задание 1. Определение постоянной капилляра

Работу начинают с определения постоянной капилляра k. Трёхходовой кран (5) ставят в положение меткой вверх. В воронку (6) заливают водопроводную воду. В ячейку наливают дистиллированную воду, 3 раза промывают капилляр, засасывая в него дистиллированную воду и сливая её. Капилляр нельзя трогать руками! Наливают новую порцию дистиллированной воды так, чтобы капилляр едва касался поверхности воды. Осторожно поворачивают трёхходовой кран по часовой стрелке так, чтобы вода из воронки медленно поступала в буферный шарик (7), не допуская наполнения шарика водой более чем наполовину.

По мере поступления воды воздух в шарике (7) сжимается, это видно по изменению положения уровней манометрической жидкости в манометре (1). Разность уровней h_о достигает максимального значения в момент проскока пузырька воздуха, её и следует измерить. Темп проскока пузырьков 10 –15 с. Отсчёт производят сначала в одном колене манометра, а затем – в другом. Например, в левом колене манометра в момент проскока пузырька уровень жидкости поднялся до 35 мм, а в правом опустился до 36, тогда разность уровней h_о = 35 + 36 = 71 мм.

Измеряют несколько раз величину наибольшей разницы уровней (не менее 3 значений h_о, отличающихся друг от друга не более чем на 1 мм), записывают их в таблицу 18.

Отсоединяют измерительную пробирку от прибора и только после этого выливают воду из шарика (7), повернув трехходовой кран против часовой стрелки. Вычисляют постоянную капилляра k по уравнению (1).

Задание 2. Определение поверхностного натяжения поверхностно-активных веществ (предельных спиртов).

При определении поверхностного натяжения нескольких органических жидкостей одного гомологического ряда их исследование начинают с жидкости, имеющей наименьшую длину углеводородного радикала.

Измерения проводят аналогично описанным в задании 1. Измерительную ячейку и капилляр ополаскивают 2 - 3 раза исследуемым раствором спирта. Раствор выливает в раковину. В измерительную ячейку наливают новую порцию исследуемого раствора и производят измерение разности уровней h. Вычисляют поверхностное натяжение исследуемого спирта. Результаты записывают в таблицу 18.

Все вычисления производить с точностью до трёх значащих цифр. Прежде чем приступать к работе со следующим спиртом, результат проверяют у преподавателя. Перед определением s следующего спирта следует тщательно промыть капилляр так, как это было описано выше.

Таблица 18

Поверхностное натяжение спиртов

Исследуемая Жидкость	H, мм	k капилляра	s × 10³ Дж/м²
1 изм.	2 изм.	3 изм.	h ср
Вода СН₃ОН 0,8 М С₂Н₅ОН 0,8 М С₄Н₉ОН 0,8 М

Задание 3. Определение поверхностного натяжения водных растворов бутилового спирта различной концентрации.

При определении поверхностного натяжения растворов различной концентрации одного и того же вещества исследование начинают с растворов наименьшей концентрации.

Измерения проводят по методике, описанной в задании 1. Результаты заносят в таблицу 19.

Таблица 19

Зависимость поверхностного натяжения изобутилового спирта от концентрации раствора

Исследуемая Жидкость	H, мм	k капилляра	s × 10³ Дж/м²
1 изм.	2 изм.	3 изм.	h ср
Вода С₄Н₉ОН 0,025М С₄Н₉ОН 0,05 М С₄Н₉ОН 0,1 М С₄Н₉ОН 0,2 М С₄Н₉ОН 0,3 М С₄Н₉ОН 0,8 М

Полученные опытные значения s располагают в виде точек (крупных) на графике зависимости поверхностного натяжения от концентрации раствора (по оси абсцисс концентрация раствора, а по оси ординат поверхностное натяжение).

Задание 4. Расчет некоторых теоретических величии

По полученным опытным данным зависимости поверхностного натяжения бутилового спирта от концентрации (табл. 19) рассчитывают константу поверхностной активности (К) для растворов всех концентраций бутилового спирта и результаты вычислений записывают в таблицу 20:

где s_Н2О - поверхностное натяжение воды, равное 72,8×10^-3Дж/м², s_сп - поверхностное натяжение чистого бутилового спирта, равное 22,8×10^-3Дж/м², s- опытное значение поверхностное натяжение раствора изобутилового спирта (данные табл.19), С - концентрация раствора спирта. Вычисляют среднее значение величины К (К_ср).

Таблица 20

⇐ Назад