Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии - Фролов Ю. Г.
Скачать (прямая ссылка):
где гш — радиус кривизны мениска жидкости в капилляре; Др — разность плотностей жидкости и газовой фазы; ? — ускорение свободного падения.
Вводя так называемую капиллярную постоянную а
(1.26)
(1.25)
а2 = 2a/(^pg? = гм,
.Л
(I. 27)
11
и учитывая угол смачивания 8 жидкостью стенок капилляра радиусом г, из уравнений (1.25) и (1.26) получаем:
а =
hpgrh _ а2 Др§
2 соб 6
(1.28)
Последнее соотношение известно как уравнение Жюрена. Таким образом для определения поверхностного натяжения жидкостей этим методом экспериментально находят высоту поднятия Л, радиус капилляра г и угол смачивания 8. Метод капиллярного поднятия является одним из наиболее точных (относительная погрешность менее 0,01 %). . ^Метод максимального давления в пузырьке основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр.
При медленном продавлнваиии пузырька из капилляра в жидкость в нем возникает избыточное внутреннее давление Ар, которое согласно, закону Лапласа определяется поверхностным натяжением 0ж-г и кривизной поверхности пузырька [см. уравнение (1.25)]. Радиус кривизны гш изменяется по мере продавливания пузырька в жидкость. Из рис. 1 видно, что в начальный момент пузырек имеет большой радиус кривизны и поверхность его почти плоская (гм > /•). Со временем радиус кривизны уменьшается, пузырек становится все более выпуклым и при. гм — г избыточное давление внутри пузырька достигает максимального значения Армакс Это давление соответствует внешнему давлению в капилляре. Для дальнейшего увеличения размера пузырька не требуется1 повышение внешнего давления, поскольку с ростом пузырька внутреннее давление в нем в соответствии с уравнением Лапласа уменьшается. В результате воздух, находящийся в трубке, устремляется к сформировавшемуся пузырьку и приводит к его отрыву от капилляра. Таким образом, определение поверхностного натяжения рассматриваемым методом сводится к измерению внешнего давления, равного ДрмаКс.
При определении поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке следует также учитывать гидростатическое давление слоя жидкости, находящейся над ним. Однако, если глубина погружения капилляра в жидкость незначительна и радиус г мал, поправкой на это давление можно пренебречь.
Максимальное давление в пузырьке в простейшем варианте можно измерить с помощью прибора Ребиндера (рис. 2). Прибор состоит из измерительной ячейки 4 с капилляром 3, аспиратора 1, с помощью которого создают внешнее давление, и микроманометра.
Измерение Д-Рмакс проводят следующим образом. Исследуемую жидкость наливают в ячейку 4 до уроз-ня, при котором кончик капилляра 3 погружается в нее не более чем на 1 мм (избыток жидкости отбирают с помощью капилляра). Ячейку соединяют отводной трубкой 2 с аспиратором 1 и краном 5 микромано-* метра.
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая формирование пузырька воздуха на выходе из капилляра.
12
Рис. 2. Схема установки для определения поверхностного иатяжеиия методом максимального давления:
1 — аспиратор; 2 — соединительная трубка; 3 — капилляр; 4 — ячейка; 5 — трехходовой край; 6—регулятор уровня манометрической жидкости; 7— кронштейн; 8 — манометрическая трубка.
Манометр устанавливают в горизонтальном положении с помощью регулировочных ножек (установка производится по уровню микроманометра) .
Вращая регулятор уровня 6 манометрической жидкости, устанавливают мениск в манометрической трубке против нулевой отметки. | Кран 5 поворачивают по часовой стрелке, соединяя микроманометр ; с системой разрежения. Открывают кран аспиратора /. В установке ; создается разрежение, в результате чего манометрическая жидкость | поднимается в трубке 8.
Сформировавшийся на конце капилляра 3 пузырек воздуха при достижении Дрмакс, пробивая поверхностный слой, лопается. В этот момент давление в системе снижается и манометрическая жидкость начи-; нает опускаться, но затем в результате образования нового пузырька ; tom снова поднимается. Таким образом, уровень манометрической жидкости все время колеблется. Чтобы уменьшить пульсацию жидкости в измерительной трубке, добиваются равномерного проскока пузырьков, с интервалом 20—30 с. Время образования и отрыва пузырьков воздуха регулируют путем изменения скорости вытекания воды из аспиратора. Если показание манометра Дрмакс в течение 2—3 мин не изменяется, то его считают установившимся и записывают в журнал.
Чтобы исключить трудоемкую операцию по измерению радиуса капилляра, для определения поверхностного натяжения используют относительный метод. Для этого находят константу ячейки k, которую рассчитывают по значениям максимального давления Дрст и поверхностного натяжения Ост для стандартных жидкостей:
k = о-ст/Дрст (I. 29)
Определив коэффициент k и измерив давление Др
макс ДЛЯ ИССЛеДуе-МОЙ жидкости, рассчитывают значение аж.г = kApMaKc.
Метод максимального давления может быть использован и для измерения межфазного натяжения на границе раздела жидкость —
13
Рис. 3. Схема установки для определения межфазного натяжения:
