Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии - Фролов Ю. Г.
Скачать (прямая ссылка):
а—схема ячейки для измерения межфазиого натяжения; б — схема прибора УГАЗП-1 КТ; / — манометрическая трубка; 2—приемник; 3— капилляр; 4— резервуар; 5 — трехходовой кран; 6 — баллон; 7—электропечь.
жидкость аж.ж. Например, аж.ж можно определить с помощью универсального газового прибора УГАЗП-1 КТ, предложенного П. П. Пугаче-вичем. Упрощенная схема этого прибора приведена на рис. 3. При нагревании воздуха в баллоне 6 под действием возникающего избыточного давления Ар жидкость с плотностью р! выдавливается из капилляра 3 в жидкость с плотностью р2 (рг > рО-
В момент достижения максимального избыточного давления Армакс условия механического равновесия на срезе капилляра 3 радиуса г и на границе раздела фаз в манометрической трубке 1 могут быть выражены соответственно уравнениями (1.30) и (1.31):
Р + Армакс + gplH = р + + 8р2!г2 + 2а*-ж. (I. 30)
Р + Дрмакс + ШР\ (Я + /г) = р + gp1hl + gp¦2 (112 + К) (1.31)
где р, Н, к, /и и кг — см. рис. 3, а.
Из совместного решения уравнений (1.30) и (1.31) получаем выражение для расчета межфазного натяжения:
:=1/2?(р2 — Р{)кг
(I. 32)
Таким образом, измерив максимальное смещение границы раздела фаз к в манометрической трубке относительно среза капилляра, можно рассчитать межфазное (и поверхностное — при продавливании воздуха) натяжение. Важным преимуществом этого метода является то, что в расчетное уравнение (1.32) не входит краевой угол.
Измерения проводят следующим образом. В тщательно промытую и высушенную измерительную ячейку наливают необходимое количество жидкостей с известными плотностями р! и р2. Ячейку укрепляют в воздушном термостате. Через некоторое время включают печь 7 и нагревают воздух в баллоне 6. С помощью крана 5 соединяют баллон с резервуаром 4. Под действием давления Ар жидкость из манометрической трубки / перемещается в приемник 2. Одновременно на срезе
14
капилляра 3 формируется капля. Как только от капилляра 3 оторвется первая капля жидкости, кран 5 поворачивают, отсоединяя измерительную систему от баллона 6. При достигнутом избыточном давлении про-давливание капель продолжается. После отрыва 3-4 капель измеряют при помощи катетометра расстояние между срезом капилляра и границей раздела фаз в манометрической трубке 1. Измерения проводят несколько раз и находят среднее значение к.
Межфазное натяжение рассчитывают по формуле (1.32). Радиус капилляра определяют по значениям к, измеренных для жидкостей с
известным межфазным натяжением:
о, мДж/м2 о, мДж/м2
Вода — бензол 35,0 Вода — этилацетат 6,8
Вода — к-гептан 50,2 Вода — бутанол 1,8
Метод отрыва кольца. Определение поверхностного натяжения методом отрыва кольца сводится к измерению силы /% необходимой для отрыва проволочного кольца от поверхности жидкости. Одним из основных условий определения 0 рассматриваемым методом является полное смачивание кольца исследуемой жидкостью. В этом случае при отрывании кольца вместе с ним поднимается и столбик жидкости, сила тяжести которого равна приложенной силе. Отрыву жидкости препятствуют силы поверхностного натяжения. В момент равновесия, когда внешнее усилие достигает значений сил поверхностного натяжения, столбик жидкости разрушается, и кольцо отрывается от поверхности жидкости.
Сила Б определяется поверхностным натяжением раствора и размерами кольца:
= 2яаж.гЯ' + 2лаж_т (Я' + 2г) = 4яаж.гЯ (I. 33)
іде Я' — внутренний радиус кольца; і? — средний радиус кольца; г — радиус проволоки, из которой изготовлено кольцо (г <С Л).
Соотношение (1.33) справедливо только в том случае, если вместе с кольцом поднимается столбик жидкости в виде полого цилиндра правильной формы. В реальных условиях поверхность столбика жидкости имеет более сложную форму. Согласно исследованиям Гаркинса форма этой поверхности зависит от отношения куба среднего радиуса кольца к объему поднимаемой жидкости в момент отрыва Я3/У и отношения радиуса кольца к радиусу его сечения Я/г. С учетом этого в уравнение (I. 33) должен быть введен поправочный коэффициент р. Тогда
>=?4л^ж^ (1.34)
Из последнего соотношения следует, что поверхностное натяжение жидкости пропорционально силе /% прикладываемой в момент отрыва кольца:
аж.г = кр (1.35)
Максимальное усилие Б обычно измеряют с помощью прибора — чувствительных торзионных весов. Схема прибора приведена на рис. 4. Основной частью прибора является платиновое кольцо 7, подвешенное к крючку 6 коромысла весов. Равномерное усилие для отрыва кольца от поверхности исследуемой жидкости создают поворотом барабана 2. Силу Р фиксируют по шкале весов с помощью стрелки 3.
15
Рис. 4. Схема прибора для определения поверхностного натяжения методом отрыва кольца:
/ — винт подъема (опускания) столика; 2,5 — барабаны; 3 — стрелка; 4 — шкала; в — крючок; 7 — измерительное кольцо; 8— чашка; 9 — подвижный столик; 10 — арретир.
При выполнении измерения необходимо соблюдать следующие условия: 1) плоскость кольца и поверхность жидкости должны быть строго параллельны и горизонтальны; 2) кольцо должно перемещаться поступательно, медленно поднимаясь вверх.
Перед измерениями проверяют правильность установки весов по уровню. Кольцо тщательно промывают в хромовой смеси и дистиллированной воде и осторожно высушивают фильтровальной бумагой. Подготовленное к работе кольцо подвешивают на крючок торзионных весов. Исследуемую жидкость слоем толщиной 5—7 мм наливают в чашку о 'и чашку устанавливают на подвижный столик 9. При этом кольцо 7 не должно касаться жидкости, поэтому столик предварительно опускают вниз до упора с помощью винта Освободив арретир 10 весов путем поворота его, вращением барабана 2 приводят левую неподвижную стрелку 3 на нулевое деление шкалы. С помощью винта 1 столик с чашкой поднимают вверх до касания кольца поверхности жидкости. Затем вращением этого же винта подвижный столик опускают вниз до тех пор, пока правая подвижная стрелка весов 4 не достигнет красной черты на правой шкале, что соответствует установке прибора в рабочее положение.
