Радиус кривизны rм изменяется по мере продавливания пузырька в жидкость. Из рисунка 6 видно, что в начальный момент пузырек имеет большой радиус кривизны и поверхность его почти плоская. Со временем радиус кривизны уменьшается, пузырек становится все более выпуклым и при rм=r избыточное давление внутри пузырька достигает максимального значения Dpmax. Это давление соответствует внешнему давлению в капилляре.
Для дальнейшего увеличения размера пузырька не требуется 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 натяжение рассматриваемым методом сводится к измерению внешнего давления, равного Dpmax. 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 r мал, поправкой на это давление можно пренебречь.
Рис. 6. Схема, иллюстрирующая формирование пузырька воздуха на выходе из капилляра.
Максимальное давление в пузырьке в простейшем варианте можно измерить с помощью прибора Ребиндера (рис. 7). Прибор состоит из стеклянного сосуда 1 с боковой трубкой 4, к которой припаян манометр 5. Верхнее отверстие сосуда 1 плотно закрывают пробкой 3, через которую проходит стеклянная трубка 2 с оттянутым капиллярным концом. Изогнутый конец трубки 4 пропускают через пробку, плотно закрывающую верхнее отверстие аспиратора 6.
Рис. 7. Прибор для измерения поверхностного натяжения по методу Ребиндера.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
Работа состоит из двух частей:
1. Определяют зависимость поверхностного натяжения растворов ПАВ от концентрации и рассчитывают адсорбцию на поверхности раздела фаз: раствор-воздух.
2. Определяют по изменению поверхностного натяжения раствора ПАВ его адсорбцию из раствора на твердом адсорбенте и рассчитывают удельную поверхность адсорбента.
3. Прежде чем начать первую часть работы необходимо подготовить вторую часть работы, а именно, поставить опыт по адсорбции ПАВ активированным углем, так как равновесное значение концентрации в этом случае устанавливается через 1,5-2 часа после начала опыта.
Из исходного раствора ПАВ приготовить в колбах на (50 мл) растворы 6 концентраций по 40 мл каждого. Из каждой колбы отобрать 20 мл раствора в другие 6 колб (на 200 мл) и туда же внести по 1 г активированного угля, который предварительно измельчают в ступке. Растворы с углем тщательно перемешать и поместить на качалку на 30 минут. Оставшиеся растворы по 20 мл в каждой колбе используют для определения поверхностного натяжения. Исследуемую жидкость наливают в стеклянный сосуд 1 до уровня, при котором кончик капилляра 2 погружается в нее не более чем на 1 мм (избыток жидкости отбирают с помощью капилляра или пипетки). Стеклянный сосуд соединяют с аспиратором и манометром. Все соединения должны быть герметичными. Аспиратор наполняют водой и плотно закрывают пробкой. Открывают кран аспиратора. В установке создается разряжение, в результате чего манометрическая жидкость поднимается в трубке.
Сформировавшийся на конце капилляра пузырек воздуха при достижении Dpmax, пробивая поверхностный слой, лопается. В этот момент давление в системе снижается, и манометрическая жидкость начинает опускаться, но затем в результате образования нового пузырька она 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 сек. Время образования и отрыва пузырьков воздуха регулируют путем изменения скорости вытекания воды из аспиратора. Если показание манометра Dpmax (суммарное значение уровней от нуля вверх и от нуля вниз) в течение 2-3 с не изменяется, то его считают установившимся и записывают. Чтобы исключить трудоемкую операцию по измерению радиуса капилляра, для определения поверхностного натяжения используют относительный метод.
Для этого находят константу ячейки R, которую рассчитывают по значениям максимального давления Dpст и поверхностного натяжения sст для стандартных жидкостей при данной температуре. Будем использовать в качестве стандартного раствора дистиллированную воду.
(12)
Определив коэффициент R и измерив давление Dpmax для исследуемой жидкости X, рассчитывают значения поверхностного натяжения
(13)
Обобщенная формула выглядит так:
(14)
, 
- поверхностное натяжение исследуемого раствора и чистой воды, при данной температуре.
, 
- показание манометра для исследуемого раствора и воды.
Таким образом, для 6 концентраций спирта рассчитывают поверхностное натяжение.
По истечении заданного времени адсорбции суспензию угля отфильтровывают через бумажные фильтры. Первые порции фильтратов (5 мл) отбрасывают, так как в них концентрация кислоты может быть понижена за счет адсорбции фильтровальной бумагой. Поверхностное натяжение равновесных растворов спирта в фильтратах определяют так же, как и исходные растворы до адсорбции.
Таблица 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
До адсорбции | После адсорбции | ||||||||||
СПАВ моль/л | Dpmax показание манометра | Dpmax сред. | s, Дж/м2 (14) | Dpmax показание манометра | Dpmax сред. | s0, Дж/м2 (14) | С0, моль/л | ||||
1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | ||||||
ВОДА | |||||||||||
С1 | |||||||||||
С2 | |||||||||||
С3 | |||||||||||
С4 | |||||||||||
С5 | |||||||||||
С6 |
По данным таблицы 1 строят изотерму поверхностного натяжения s=f(C) на миллиметровой бумаге, откладывая по оси абсцисс значения концентрации С, а по оси ординат поверхностное натяжение и σх (по данным до адсорбции). Зная поверхностное натяжение s0 растворов (после адсорбции) находят из графика изотермы поверхностного натяжения s=f(C) концентрации С0 (концентрации растворов после адсорбции) и записывают их в таблицу. Вычисляют удельную адсорбцию одним из указанных выше способов. Результаты расчетов записывают в таблицу 2 (или 3).
Таблица 2.
Результаты расчетов (для первого способа)
№ | C | s (14) | DC | Ds | Сср (4) | Гx106 моль/м2 (3) | 1/Г | 1/С | Г¥´106 моль/м2 (8) | S0, м2 (10) | d, м (11) |
Строят изотерму адсорбции в координатах Г=f(С). Для 4-5 точек изотермы рассчитывают величины 1/С и 1/Г и строят линейную форму изотермы адсорбции 1/Г=f(1/С). С помощью изотермы определяют величину предельной адсорбции Г¥ и адсорбционную константу Ленгмюра в.
Таблица 3.
Результаты расчетов (для второго способа)
№ | C | s | Z | Г·106, моль/м2 (5) | 1/C | 1/Г | Г¥·106, моль/м2 (8) | S0, м2 (10) | d, м (11) |
Строят изотерму адсорбции в координатах Г=f(C). Рассчитывают в и Г¥ аналогично первому способу.
При поглощении растворенных веществ твердыми адсорбентами удельная адсорбция не может быть рассчитана по уравнению Гиббса, т. к. нет приемлемых методов измерения поверхностного натяжения на границе раздела твердое тело – жидкость. Количество адсорбированного вещества (адсорбата) определяют по изменению его концентрации в растворе. Зная исходные концентрации спирта С и равновесные концентрации С0 (определены графически) можно рассчитать величину адсорбции (х/m). Количество адсорбированного на угле спирта рассчитывается по формуле:
|
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)