(7)
Определив коэффициент R и измерив давление Dpmax. для исследуемой жидкости X, рассчитывают значения
(8)
Обобщенная формула выглядит так:
(9)
, 
– поверхностное натяжение исследуемого раствора и чистой воды, при данной температуре; 
, 
– показание манометра pmax для исследуемого раствора и воды.
Метод отрыва кольца
В методе отрыва кольца измеряют силу F, которой противодействует поверхностное натяжение жидкости, смачивающей периметр поверхности кольца: F=4prкs/k; s=(F/4prк)k.
Коэффициент k является поправочным, он учитывает, что поднимающийся при отрыве кольца столб жидкости не имеет формы правильного полого цилиндра.
Метод уравновешивания пластинки
(или метод Вильгельми)
В методе уравновешивания пластинки определяют силу F, необходимую для извлечения из жидкости погруженную в нее тонкую пластинку шириной h: F=2sh; s=F/(2h).
Метод капиллярного поднятия
Особыми свойствами обладает капиллярно-пористые тела, твердая дисперсионная среда которых пронизана порами капиллярных размеров. Если капилляры заполнены газом, то эти тела образуют систему Г/Т, а если жидкостью – Ж/Т. Иногда жидкостью заполняется только часть пор, т. е. образуются системы типа Г, Ж/Т.
К капиллярно пористым телам относятся древесина, ткани, бумага, кирпич, войлок, фетр и др. В зависимости от содержания влаги их можно рассматривать как дисперсные системы типа Г/Т, Ж/Т или Г, Ж/Т.
Одним из характерных поверхностных свойств капиллярно-пористых тел является подъем жидкости в порах. Капиллярный подъем самопроизвольный процесс, который связан с механическим перемещением жидкости относительно стенок капилляра.
В капилляре за счет смачивания образуется вогнутый мениск. На такой искривленной поверхности с радиусом кривизны r поверхностное натяжение sЖГ вызывает капиллярное давление ∆p. Давление кривизны поверхности можно представить в виде: ∆p=(2s ЖГ/r)cosq, где q - краевой угол смачивания.
Капиллярное давление уравновешивается весом PН столба жидкости высотой h, т. е. ∆p=PН. С учетом веса столба жидкости можно записать: (2sЖГ/r)cosq=(r-r0)gh, где r, r0 – плотность жидкости и газа (воздуха).
В связи с тем, что r>r0, плотностью газа можно пренебречь; тогда высоту подъема жидкости в капилляре определяют при помощи формулы: h=2sЖГcosq/(rrg).
При полном смачивании, когда q=0 и cosq=1, формула приобретает вид: h=2sЖГ/(rrg).
Капиллярный подъем жидкости имеет место в процессе пропитки и увлажнения структурированных капиллярно-пористых тел, он определяет влагосодержание почвы, питание растений.
На несмачивающейся поверхности, когда q>90о, образуется выпуклый мениск, а капиллярное давление направлено в глубь жидкости, что обусловливает всасывание жидкости в капилляр.
В основе метода капиллярного поднятия лежит зависимость высоты поднятия жидкости h в узком капилляре от ее поверхностного натяжения. В соответствии с уравнением Лапласа избыточное давление связано с высотой h жидкости в капилляре соотношениями: Dp=2s/rм и Dp=Dρgh
rм – радиус кривизны мениска жидкости в капилляре;
Dρ – разность плотностей жидкости и газовой фазы;
g – ускорение свободного падения.
Вводя так называемую капиллярную постоянную а: а2=2s/(Dρg)=rмh и учитывая угол смачивания θ жидкостью стенок капилляра радиусом r получаем: s=Dρgrh/(2cosθ)=a2Dρg/(2cosθ). Это соотношение известно как уравнение Жюрена. Таким образом, для определения поверхностного натяжения жидкостей этим методом экспериментально находят высоту поднятия h, радиус капилляра и угол смачивания θ.
Перечисленные выше методы определения поверхностного натяжения доступны, но имеют один общий недостаток – низкую точность измерений. Более точным является метод капиллярного поднятия (относительная погрешность менее 0,01 %) в том случае, если капилляр хорошо смачивается водой, а его диаметр не изменяется по высоте, что в лабораторных условиях не всегда соблюдается. Причем чем меньше радиус капилляров, тем точнее результаты измерений поверхностного натяжения.
Кроме перечисленных доступных и широко используемых методов определения поверхностного натяжения существует и другие методы: сидячей капли, вращающейся капли и др.
Измерение поверхностной активности и адсорбции ПАВ позволяет определить параметры адсорбционных слоев: площадь, занимаемую одной молекулой, S0 и толщину поверхностного слоя d. Величины S0 и d рассчитывают по экспериментально найденным значениям предельной адсорбции Г¥.
Предельную адсорбцию Г¥ определяют по изотермам адсорбции Г=f(C), для построения которых вычисляют несколько значений ds/dC.
Площадь S0, приходящуюся на одну молекулу в насыщенном адсорбционном слое, вычисляют по уравнению:
S0=1/NAГ¥ (10)
Толщину адсорбционных слоев (длину молекулы ПАВ) рассчитывают по формуле:
d=Г¥М/r, (11)
где NА - постоянная Авогадро, NА=6,02×1023 моль-1; М - молярная масса ПАВ, кг/моль; r- плотность ПАВ, кг/м3.
Значения М и r для некоторых веществ приведены в таблице 1 (см. приложение).
Сопоставление вычисленных значений толщины слоя d с длиной ориентированных молекул дает возможность оценить тип поверхностной пленки, определить ориентацию молекул ПАВ в адсорбционном слое.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
Из исходных растворов готовят по 5-6 разведений разных концентраций для каждого ПАВ путем последовательного разбавления вдвое, по 30 мл каждого раствора. Устанавливают постоянную Ребиндера или сталагмометра по воде. Измерения повторяют 3-5 раз.
Измеряют поверхностное натяжение приготовленных растворов ПАВ методом наибольшего давления в пузырьке или счета капель.
Сначала проводят всю серию измерений для низшего гомолога, затем, тщательно промыв сосуд и сталагмометр, для более высшего гомолога. Такой порядок позволяет избежать погрешности измерений за счет возможного остатка более поверхностно-активного гомолога. Измерения повторяют 3-5 раз.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Данные о концентрациях исследуемых растворов, а также результаты измерений и расчетов для каждого ПАВ заносят в таблицы 2 и 3.
Таблица 2.
Результаты измерений
СПАВ, моль/л | Dр1 | Dр2 | Dр3 | Dрср | s, Дж/м2 |
вода | |||||
С1 | |||||
С2 | |||||
С3 | |||||
…. |
Dр – наибольшее давление в пузырьке; s – поверхностное натяжение.
Вычисляют поверхностное натяжение для всех видов ПАВ по формуле (9), если используют метод наибольшего давления в пузырьке, или (6), если применяют сталагмометрический метод.
Таблица 3.
Форма записи результатов расчетов
ПАВ | n* | Ds | DC | Ds/DC | G0 | b | bср | Г, моль/м2 |
1 | ||||||||
2 | ||||||||
3 |
*n-число атомов углерода в цепи.
Строят для всех изучаемых ПАВ изотермы поверхностного натяжения на миллиметровой бумаге, откладывают на оси абсцисс значения концентраций, а на оси ординат поверхностное натяжение. Масштаб при построении графиков выбирают таким образом, чтобы углы наклона начальных участков изотерм к горизонтальной оси составляли от 30° до 60°. В начале оси ординат следует отложить наименьшее значение s из полученных в опытах или близкое к нему округленное число. Ось концентраций начинают от С=0 (чистая вода).
Рекомендуемый масштаб по оси ординат: 1см=2×10-3 Дж/м2. Полученные точки обозначают разными цветами или разными фигурами и соединяют плавными линиями по лекалу (см. рис. 1).
1. Определяют поверхностную активность ПАВ. Для этого на начальном участке изотермы s=f(C) в пределах понижения s не более чем на 10-15 ед. по сравнению с s0 чистого растворителя проводят параллельно горизонтальной оси прямую, которая пересекает все изотермы. Отрезок ординаты от s0 до секущей прямой равен понижению поверхностного натяжения Ds. Опустив перпендикуляры из точек пересечения прямой с кривыми изотерм, находят концентрации гомологов, при которых достигается одинаковое снижение поверхностного натяжения Ds. Поверхностную активность G0 находят для каждого ПАВ по формуле (4).
Рассчитывают коэффициент Траубе b по формуле (2) для каждой пары ближайших гомологов. Из всех полученных значений b находят его среднее значение. Проверяют выполнимость правила Траубе, которому отвечает равенство
Gn+1/Gn=Gn+2/Gn+1 (12)
2. Находят значения Ds/DС для растворов 4-5 различных концентраций. Для этого на начальном, наиболее крутом участке изотермы через равные интервалы концентраций берут ряд значений С1, С2, С3… и находят соответствующие значения s1, s2, s3… . Рассчитывают разности Ds1=s2-s1, Ds2=s3-s2 и DС1=С2-С1, DС2=С3-С2…, подставляют их в уравнение:
(13)
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
Основные порталы (построено редакторами)