Методи вимірювання поверхневого натягу
Методи вимірювання поверхневого натягу - розділ Хімія, Фізико-хімічні методи дослідження Існує Значна кількість методів вимірювання поверхневого натягу Легк.
Існує значна кількість методів вимірювання поверхневого натягу легкорухливих поверхонь розділу фаз рідина – газ та рідина – рідина. Ці методи поділяються на: 1) статичні; 2) напівстатичні; 3) динамічні.
1)У статичних методах поверхневий натяг визначається з урахуванням вивчення рівноважного стану, якого мимоволі приходить досліджувана система. У практикумі використовуються статичні методи врівноваження пластинки (метод Вільгельма) та капілярного підняття.
У методі Вільгельма визначається сила, яка необхідна для врівноважування тонкої пластинки шириною d, зануреною в рідину; зазвичай використовується повністю змочується рідиною пластинка, і поверхневий натяг розраховується з виразу:
де F - сила, що втягує платівку в рідину, за вирахуванням ваги платівки.
Метод капілярного підняття заснований на визначенні висоти стовпа рідини h у капілярі радіусу r при повному змочуванні; поверхневий натяг розраховують за такою формулою:
де ρ – щільність рідини; g – прискорення сили тяжіння.
Більш точна формула враховує обсяг рідини над меніском, що дорівнює πr 3 /3. Зручно використовувати не один, а два капіляри з різними радіусами r' і r'', градуйовані по еталонній рідині з відомим поверхневим натягом σе. Тоді:
де h', h'', hе', hе''- висоти підняття досліджуваної та еталонної рідин у відповідних капілярах, ρе - щільність еталонної рідини.
Метод лежачої краплі заснований на вимірі геометричних параметрів рівноважної краплі, формаякої визначається співвідношенням щільності та поверхневого натягу рідини.
Розрахунок ускладнюється тим, що рівняння, що описує форму краплі - диференціальне рівняння другого порядку у приватних похідних, що випливає з рівняння Лапласа, - не інтегрується у явному вигляді. Тому визначення поверхневого натягу за результатами вимірювань геометричних параметрів краплі з необхідної точністю використовуються спеціальні таблиці чи проводиться розрахунок чисельними методами.
2)Напівстатичні методи, як і статичні, засновані на досягненні системою деякого рівноважного стану, але для напівстатичних методів ця рівновага є нестійкою. Визначення ґрунтується тут на вивченні умов, за яких система втрачає свою рівновагу. У практикумі використовуються методи відриву платівки та кільця, а також максимального тиску у бульбашці (крапі).
Метод відриву пластинки, як і метод Вільгельма, заснований на визначенні сили, що діє з боку рідини на пластинку, що змочується нею, але визначення цієї сили проводиться при відриві пластинки від поверхні, що пом'якшує вимоги до змочування пластинки. Розрахунок поверхневого натягу проводиться у разі виразу (3.6).
Метод відриву кільця є одним із найбільш поширених методів визначення поверхневого натягу рідин; зв'язок поверхневого натягу з силою F, необхідної для відриву від поверхні рідини тонкого кільця радіуса R, добре змочуваного рідиною (крайовий кут змочування θ= 0 o ), описується виразом:
де величина k залежить від співвідношення радіусу кільця та товщини дроту, з якого воно зроблено, а також від поверхневого натягу рідини; проте остання залежність досить слабка, що дозволяє із задовільноюнадійністю використовувати цей метод як відносний:
де величини σе та Fе відносяться до еталонної рідини.
Метод максимального тиску бульбашки (краплі) заснований на вимірі максимального значення капілярного тиску Р = 2σ / r0, що виникає при утворенні на зрізі капіляра бульбашки сферичної форми; цей максимальний тиск визначається радіусом капіляра ro. Метод найчастіше використовується як відносний, і поверхневий натяг досліджуваної рідини визначається по відношенню до значень максимальних тисків Р досліджуваної та еталонної Ре рідин або із співвідношення відповідних висот підняття манометричної рідини:
де σе - поверхневий натяг еталонної рідини.
3)Динамічні методи використовуються рідше; вони застосовуються в основному для вивчення поверхневих шарів у нерівноважному стані, що дозволяє, наприклад, досліджувати кінетику адсорбції і т.д.