 |
Измерение поверхностного натяжения сталагмометрическим методом
|
|
|
|
Цель работы:
Ознакомление со сталагмометрическим методом как одним из полустатических методов определения поверхностного натяжения. Построение изотермы поверхностного натяжения для серии растворов ПАВ с различными концентрациями.
Теоретическая часть:
Поверхностное натяжение можно измерять непосредственно только в условиях обратимого изменения поверхности раздела фаз, т. е. при достаточной подвижности этой поверхности, например на границах жидкость-пар иди жидкость-жидкость при не слишком высокой вязкости жидкостей.
Поверхностное натяжение твердых тел определяется с большими трудностями и, как правило, косвенными методами.
Методы измерения поверхностного натяжения подразделяются на статические или полустатические (при неподвижных или медленно образующихся поверхностях раздела) и динамические (при движущихся и непрерывно обновляющихся поверхностях раздела).
Динамические методы сложны и, кроме того, они не применимы для измерения поверхностного натяжения σ растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), так как время формирования адсорбционных слоев часто довольно значительно, и тогда поверхностное натяжение, измеренное за малые промежутки времени существования поверхности, не будет соответствовать равновесному значению σ.
Статические или полустатические методы позволяют измерять равновесные значения поверхностного натяжения. Наиболее распространенными из них являются методы капиллярного поднятия, максимального давления в пузырьках и каплях, сталагмометрический (отрывающейся капли) и отрыва кольца. Последние три метода позволяют определять не только поверхностное натяжение, но и межфазное натяжение на границе двух несмешивающихся жидкостей.
|
|
|
Измерение поверхностного натяжения сталагмометрическим методом основано на том, что в момент отрыва капли от нижнего конца вертикальной трубки вес капли q уравновешивается силой поверхностного натяжения F (см. рис.1.1), которая действует вдоль окружности шейки капли и препятствует ее отрыву. В первом приближении можно считать, что
F=2πrσ (1)
где r – внутренний радиус трубки.
Рисунок 1. 1 – схема отрыва капли от конца капиллярной трубки; 2 – сталагмометр.
При более точном определении σ следует учитывать, что разрыв происходит в шейке капли, которая имеет меньший радиус, чем трубка. Поэтому значение радиуса r надо умножить на некоторый коэффициент k, зависящий от отношения объема капли V к кубу радиуса трубки, k = V/r3.
Экспериментально показано, что этот коэффициент не очень сильно меняется при изменении объема капель даже в 1000 раз. Для капель, сравнительно мало отличающихся по объему, этот коэффициент можно считать одинаковым. Так как в момент отрыва F = q, то, определив вес образующейся капли q, можно вычислить поверхностное натяжение жидкости σ.
Для определения веса капли пользуются сталагмометром, который представляет собой стеклянную трубку с расширением посредине, заканчивающуюся внизу капилляром (рис. 1.2). Трубка обычно имеет горизонтальную коленчатую часть, в которую впаян капилляр для того, чтобы жидкость капала медленнее. Расширенная часть трубки ограничена двумя метками. Для измерения поверхностного натяжения в сталагмометр засасывают с помощью груши исследуемую жидкость выше верхней метки; когда уровень жидкости опустится до верхней метки, начинают считать число капель n жидкости, вытекающей из трубки, до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет нижней метки. Если известны объем расширенной части сталагмометра V и плотность жидкости ρ, то вес капли q можно вычислить по формуле:
|
|
|
где g – ускорение силы тяжести.
Очевидно, что при отрыве капли должно соблюдаться равенство:
Обычно проводят относительное определение σ, сравнивая истечение из данного сталагмометра исследуемой жидкости и жидкости с известным поверхностным натяжением. В этом случае, написав уравнение (3) для обеих жидкостей, разделив первое из этих уравнений на второе и сократив постоянные величины, получают формулу для расчета:
В этих уравнениях индекс x относится к параметрам исследуемой жидкости, а индекс ст - к параметрам жидкости с известным поверхностным натяжением.
Если стандартной жидкостью является вода, величину ncт называют «водяным числом» сталагмометра. Значение σст для воды при 200 ˚С равно 72,7 мДж/м2.
При измерении сталагмометром поверхностного натяжения растворов эмульгаторов, смачивателей и моющих средств, имеющих большие молекулы, необходимо увеличивать время образования капли. В противном случае, если капля образуется быстро, на ее поверхности из-за медленной диффузии таких молекул не успевает установиться равновесное значение поверхностного натяжения. Для подобных растворов измерения проводят при различных, все уменьшающихся скоростях истечения, пока число капель n, не приобретет максимальное постоянное значение. Это значение и берут для расчета.
Для увеличения времени образования капли в простейшем случае пользуются винтовым зажимом, позволяющим изменять просвет каучуковой трубки и тем самым уменьшать скорость истечения.
При правильно выбранном времени образования капель сталагмометрический метод дает достаточно точные значения поверхностного натяжения растворов ПАВ.
Экспериментальная часть:
Для проведения работы необходимы:
ü Сталагмометр;
ü Груша;
ü Пипетка объемом 2 мл;
ü Мерные колбы емкостью 100 мл (5 шт.)
ü Поверхностно-активное вещество, указанное преподавателем.
В мерной колбе емкостью 100 мл готовят исходный раствор ПАВ концентрацией 0,5 моль/л. Из исходного раствора в оставшихся колбах готовят 4 раствора таких концентраций, чтобы каждый последующий раствор был вдвое разбавление предыдущего.
С помощью сталагмометра определяют поверхностное натяжение приготовленных растворов. Предварительно градуируют прибор по дистиллированной воде. Затем измеряют поверхностное натяжение растворов поверхностно-активного вещества, причем измерения начинают с растворов низшей концентрации. После окончания работы тщательно промывают прибор, снова проверяют «водяное» число сталагмометра.
|
|
|
Показания приборов по воде в начале и в конце опыта должны совпадать. Определение для каждого раствора проводят три раза, и для расчетов берут среднее арифметическое значение. Погрешность отсчета не должна превышать 1-2%.
По данным опыта строят изотермы поверхностного натяжения и делают вывод об особенностях растворов поверхностно-активных веществ.
Результаты определений записывают в таблицу:
| Исследуемое вещество | Концентрация раствора, моль/л | Число капель, n | Поверхностное натяжение σ, мДж/м2 | |||
| Сред. | ||||||
|
|
|
