Метод максимального давления газового пузырька (метод Ребиндера)

МЕТОД МАКСИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ПУЗЫРЬКОВ

Рис. 1. Прибор Ребиндера: 1 – сосудик для жидкости; 2 – капилляр; 3 – кран к респиратору; 4 – манометр.

Метод Ребиндера более точен, чем сталагмометрический.
Эти методы пригодны не только для измерения поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ (воздух), но и на границе раздела двух жидких фаз. В последнем случае капли одной жидкости продавливают через капилляр в приборе Ребиндера (рис. 1) или заставляют вытекать из сталагмометра в другую жидкость.
При растворении в данной жидкости какого-либо вещества наблюдают следующие случаи. 1. Растворенное вещество повышает, обычно незначительно, П. н. растворителя (такие вещества называют поверхностно неактивными). Поверхностно неактивными веществами по отношению к воде являются многие неорганические соли, кислоты и также органические вещества, как глицерин, α-аминокислоты, сахар и др. 2. Растворенное вещество понижает П. н. растворителя (такие вещества называют поверхностно активными). По отношению к воде поверхностно активными веществами являются многие органические соединения (например, спирты, жирные кислоты, эфиры, гликозиды, белки и др.), молекулы которых являются дифильными и состоят из неполярного, гидрофобного углеводородного остатка и полярной гидрофильной группы. К полярным группам относятся группы -ОН, -СООН, -NH₂, -SH, -СНО и др. Мерой поверхностной активности веществ является отношение изменения П. н. Δσ к соответствующему изменению концентрации Δс этого вещества в растворе (т. е. Δσ/Δс).

Рис. 4. Схема установки для опреде­ления поверхностного натяжения методом максимального давления пузырька: 1 – сосуд; 2 – капилляр; 3 – мано­метр; 4 – груша; 5 – боковой отросток

Для определения поверхностного натяжения пользуются устройством, представленным на рис. 4.

В сосуд 1 наливают некоторое количество дистиллированной воды так, чтобы ее уровень был ниже бокового отростка 5. Сосуд плотно закрывают пробкой с проходящим через нее капилляром 2. Кончик капилляра должен касаться поверхности жидкости и слегка ее прогибать. С помощью груши 4 осторожно повышают давление и в момент отрыва пузырька фиксируют разность уровней в манометре 3. Опыт повторяют несколько раз и принимают среднее значение величины давления. Затем воду выливают и заменяют последовательно растворами. Для каждого раствора определяют давление отрыва пузырька вышеуказанным способом.

Метод максимального давления газового пузырька (метод Ребиндера)

Работа проводится на установке, состоящей из сосуда 1 с пробкой, в которую вставлена пипетка с капиллярным кончиком 2, водяного эжектора 3 для создания разряжения в сосуде 2 и манометра 4 (рис.3). Перед началом работы промывают хромовой смесью и дистиллированной водой сосуд и капилляр. Из капиллярного кончика оставшуюся жидкость удаляют путем легкого прикосновения капилляром к фильтровальной бумаге.
Определение константы капилляра производят следующим образом. В сосуд Ребиндера наливают столько дистиллированной воды, чтобы в плотно закрытом резиновой пробкой сосуде капиллярный кончик только касался поверхности воды, слегка приподнимая ее.
Если воды в сосуде немного больше и капилляр погружен глубоко, то, передвигая трубку в пробке, добиваются касания капилляром поверхности воды или ее избыток отбирают пипеткой.
С помощью эжектора создают такое разрежение внутри установки, чтобы через капиллярный кончик пузырьки воздуха проходили примерно со скоростью два – три в минуту. Нельзя допускать образования устойчивых гроздьев пузырьков или слишком медленного их возникновения.

Рис. 3. Прибор Ребиндера для определения поверхностного натяжения.
Перед измерением установку обязательно проверяют на герметичность. Для этого открывают нижний кран эжектора и из него струйкой выливают воду до тех пор, пока в сосудике 1 не начнут выделяться пузырьки воздуха. Затем нижний кран эжектора закрывают. После окончания выделения пузырьков необходимо убедиться, что созданное в сосудике разряжение сохраняется постоянным, т.е. разность уровней манометрической жидкости не должна изменяться в течение 2-3 мин.
Установив определенную частоту проскакивания пузырьков воздуха, производят по манометру не менее трех отсчетов максимальной разности уровней манометрической жидкости в левом и правом колене манометра (Dh₀, миллиметров водяного столба). Отсчет Dh₀ производят в момент проскока пузырьков воздуха, так как разность уровней манометрической жидкости все время колеблется. При образовании пузырька устанавливается определенное давление. Когда пузырек лопается, давление сразу падает и затем опять начинает повышаться вследствие возникновения нового пузырька. Рассчитывают константу капилляра по уравнению: (1)
Затем определяют поверхностное натяжение трех индивидуальных жидкостей при комнатной температуре. Перед тем как заливать новую жидкость в сосудик, его следует ополоснуть этой жидкостью и промакнуть кончик капилляра. Поверхностное натяжение рассчитывают по уравнению: (2)

Рис. 2. Схема установки для определения поверхностного натяжения методом максимального давления газа в пузырьке

Впервые простой прибор для определения поверхностного натяжения по методу измерения максимального давления газовых пузырьков предложил академик П.А. Ребиндер. Схема такого прибора приведена на рис. 2. Разряжение в измерительной ячейке 2, в которую помещены калиброванный капилляр 3 и исследуемая жидкость 1, создается за счет истечения воды из сосуда 4. Давление, при котором отрывается пузырек, измеряется с помощью наклонного манометра 5. Изменяя угол наклона j манометра можно повышать точность измерения максимального давления при отрыве пузырька. При использовании стандартной жидкости можно исключить необходимость измерения радиуса капилляра прибора. Тогда .

Метод можно использовать как для чистых жидкостей, так и для растворов с высокой концентрацией растворенного вещества и вязкостью. Для исключения погрешности, связанной с измерением глубины погружения капилляра в исследуемую жидкость, используются измерительные ячейки с двумя капиллярами, впервые предложенные Сагденом. Один из капилляров должен иметь радиус не менее 2 мм, а второй около 0,1 мм. Расчет поверхностного натяжения проводиться по формуле Сагдена:

, (3)

где A – постоянная прибора; R₂ – радиус большого капилляра; P₁ и P₂ – давление газа при отрыве газового пузырька соответственно из малого и большого капилляров.

Погрешность метода в такой модификации достигает 0,3%. Плотность жидкости не надо измерять с большой точностью, так как ошибка в измерении, равная 1%, приводит к погрешности в рассчитанном значении поверхностного натяжения всего 0,1%.

Метод максимального давления в газовом пузырьке дает возможность проводить измерения поверхностного натяжения в широком интервале времени образования поверхности – от нескольких десятых долей секунды до нескольких часов. Для больших временных интервалов образования газовых пузырьков требуется стабилизация давления и температуры, при которых ведутся измерения.

Метод измерения максимального давления в газовом пузырьке отличается простотой аппаратурного оформления и достаточно высокой точностью, найденное поверхностное натяжение не зависит от краевого угла смачивания жидкостью материала капилляра и от плотности жидкости, измерения проводятся каждый раз на вновь образованной поверхности, а испарение с нее исключается. Все это делает данный метод одним из наиболее распространенных. К недостаткам метода следует отнести необходимость учета при определении поверхностного натяжения гидростатического давления столба жидкости в капилляре. Поэтому необходимо либо помещать капилляр строго на поверхности, либо измерять глубину его погружения.

Принцип:
Метод пузырькового давления – применяется для определения поверхностного натяжения. Давлением можно вытолкнуть пузырек из капилляра, который вертикально погружен в исследуемую жидкость. Поверхностное натяжение зависит от увеличения давления, радиуса капиллярной трубки и глубины погружения.