На чем основано измерение поверхностного натяжения жидкостей методом наибольшего пузырька воздуха
Методы определения поверхностного натяжения
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные методы определения поверхностного натяжения.
Метод капиллярного поднятия.
Сталагмометрический метод (метод взвешивания капель)
Масса капли жидкости, вытекающей из капилляра, определяется интенсивностью сил поверхностного натяжения: чем больше s, тем большую по размерам каплю они способны удержать. Для равных объёмов двух жидкостей с плотностью ro и r и поверхностным натяжением s0 и s существует соотношение:
Схема установки для проведения измерений представлена на рисунке 14. Сталагмометр закрепляют на штативе так, чтобы измерительный капилляр был строго вертикальным. Исследуемую жидкость из бюкса 3 засасывают с помощью груши в сталагмометр до уровня выше верхней метки 1 и дают возможность вытекать через капилляр. Начинают отсчет капель при достижении мениском метки 1 и заканчивают – после прохождения жидкостью нижней метки 2. Вытекающую жидкость собирают в бюксе 3. Проводят 3-5 замеров числа капель и рассчитывают среднее арифметическое значение 
. Поверхностное натяжение вычисляют по приведенному выше уравнению для s.
 |
Рис.14. Схема установки сталагмометрического измерения s.
Метод максимального давления пузырьков воздуха
Метод основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырьков газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр. Росту пузырька, другими словами, увеличению поверхности раздела фаз препятствуют силы поверхностного натяжения. И чем больше s, тем больше следует приложить усилий (создать внутреннее давление), чтобы выдуть пузырек в жидкость. В момент его отрыва от кончика капилляра внутреннее давление максимально и пропорционально s. Кончик капилляра должен лишь смачиваться жидкостью и слегка приподнимать мениск вверх. При таком условии поправкой на гидростатическое давление при образовании пузырьков можно пренебречь.
Максимальное давление в пузырьке можно измерить с помощью прибора Ребиндера (в модификации С.Н. Алёшина), изображенного на рисунке 15.
Он состоит из измерительной ячейки, в которую наливается исследуемая жидкость. Капилляр соединен резиновой трубкой (2) с буферным шариком (7), в котором воздух сжимается водой, поступающей из воронки (6). Создаваемое в системе давление измеряется по разности уровней жидкости в коленах U- образного манометра (1).
 |
2. соединительная резиновая трубка;
3. трубка для слива воды;
5. трехходовой кран;
6. воронка для водопроводной воды;
Рис.15. Прибор для определения поверхностного натяжения жидкостей методом наибольшего давления пузырьков воздуха:
Измерение поверхностного натяжения жидкостей заключается в следующем: исследуемую жидкость заливают в измерительную ячейку, опускают в неё капилляр так, чтобы он едва касался поверхности жидкости. В момент проскока пузырек воздуха должен преодолевать сопротивление только поверхностного слоя жидкости.
Если теперь в капилляр сверху под давлением h (разность уровней манометра) подать воздух, то он будет вытеснять исследуемую жидкость из капилляра. Как только давление окажется чуть больше силы, удерживающей жидкость в капилляре, из капилляра проскочит пузырёк воздуха. Таким образом, получается, что поверхностное натяжение пропорционально давлению h, измеряемому манометром в момент отрыва пузырька воздуха.
(1)
Измерив максимальное давление h в пузырьке газа, выдавливаемом в исследуемую жидкость, по известному k вычисляют её поверхностное натяжение:
1.4.6. Метод измерения максимального давления в газовом пузырьке
Измерение максимального давления Pm в газовом пузырьке, образующемся из калиброванного отверстия в исследуемую жидкость, смачивающую материал капилляра(0
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. 1.14. 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:
, (1.1.79)
где A – постоянная прибора; R2 – радиус большого капилляра; P1и 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.
Содержание
Задний план
Когда жидкость образует границу раздела с газовой фазой, молекула на границе имеет совершенно другие физические свойства из-за дисбаланса сил притяжения соседних молекул. В состоянии равновесия жидкости внутренние молекулы находятся под действием сбалансированных сил с равномерно распределенными соседними молекулами.
Однако относительно меньшее количество молекул в газовой фазе над границей раздела, чем в конденсированной жидкой фазе, приводит к тому, что общая сумма сил, приложенных к поверхностной молекуле, находится непосредственно внутри жидкости, и, таким образом, поверхностные молекулы стремятся минимизировать свою собственную площадь поверхности.
Среди различных способов определения поверхностного натяжения, метод кольца Дю Нюи и метод скольжения Вильгельми основаны на отделении твердого объекта от поверхности жидкости, а метод подвесной капли и метод неподвижной капли или пузырька зависят от деформации сферической формы объекта. капля жидкости.
Метод максимального давления пузырька
Одним из полезных методов определения динамического поверхностного натяжения является измерение «метода максимального давления пузырька» или, проще говоря, метода давления пузырька.
Тензиометр давления пузырьков создает пузырьки газа (например, воздуха) с постоянной скоростью и выдувает их через капилляр, который погружен в жидкость пробы, радиус которого уже известен.
На рисунке 2 показан каждый этап образования пузырька и соответствующее изменение радиуса пузырька, и каждый этап описан ниже. (Изображение было воспроизведено по ссылке)
A, B: на конце капилляра появляется пузырек. По мере увеличения размера радиус кривизны пузыря уменьшается.
C: В точке максимального давления пузырька пузырь имеет полную полусферическую форму, радиус которой идентичен радиусу капилляра, обозначенному Rcap. Поверхностное натяжение может быть определено с помощью уравнения Юнга – Лапласа в приведенной форме для сферической формы пузырька в жидкости.
σ знак равно Δ п м а Икс × р c а п 2 <\ displaystyle \ sigma = <\ frac <\ Delta P _ <\ rm 
(σ: поверхностное натяжение, Δ P max : максимальный перепад давления, R cap : радиус капилляра)
D, E: после достижения максимального давления давление пузыря уменьшается, а радиус пузыря увеличивается до тех пор, пока пузырек не отделится от конца капилляра и не начнется новый цикл. Это не имеет отношения к определению поверхностного натяжения.
Метод пузырькового давления обычно используется для измерения динамического поверхностного натяжения системы, содержащей поверхностно-активные вещества или другие примеси, поскольку он не требует измерения угла контакта и имеет высокую точность, даже если измерение выполняется быстро. «Метод пузырькового давления» может применяться для измерения динамического поверхностного натяжения, особенно для систем, содержащих поверхностно-активные вещества. Более того, этот метод является подходящим методом для применения к биологическим жидкостям, таким как сыворотка, поскольку он не требует большого количества жидкого образца для измерений. Наконец, этот метод используется для косвенного определения содержания поверхностно-активного вещества в промышленных ваннах для очистки или нанесения покрытия, поскольку динамическое поверхностное натяжение в конкретном диапазоне скоростей образования пузырьков сильно коррелирует с концентрацией.
Метод максимального давления в пузырьке
Метод максимального давления в пузырьке основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр.
При медленном продавливании пузырька из капилляра в жидкость в нем возникает избыточное внутреннее давление 
Р, которое согласно закону Лапласа определяется поверхностным натяжением sж-г и кривизной поверхности пузырька. Радиус кривизны
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 rмал, поправкой на это давление можно пренебречь.
Максимальное давление в пузырьке в простейшем варианте можно измерить с помощью прибора Ребиндера. Прибор состоит из измерительной ячейки с капилляром, аспиратора, с помощью которого создают внешнее давление, и микроманометра
 |
1- жидкость; 2- капилляр; 3-ячейка;4-соединительная трубка; 5-аспиратор; 6-регулятор уровня монометрической жидкости; 7-трехходовой кран; 8-приемник
Рисунок 1 – Схема установки Ребиндера
Измерения Рмах проводят следующим образом. Исследуемую жидкость наливают в ячейку до уровня, при котором кончик капилляра погружается в нее не более чем на 1 мм (избыток жидкости отбирают с помощью капилляра). Ячейку соединяют отводной трубкой с аспиратором и краном микроманометра.
Вращая регулятор уровня манометрической жидкости, устанавливают мениск в манометрической трубке против нулевой отметки. Кран поворачивают по часовой стрелке, соединяя микроманометр с системой разрежения, в результате чего манометрическая жидкость поднимается в трубке.
Сформировавшийся на конце капилляра пузырек воздуха при достижении Рмах, 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 с. Время образования и отрыва пузырьков воздуха регулируют путем изменения скорости вытекания воды из аспиратора. Если показания манометра Рмах в течение 2-3 мин не изменяется, то его считают установившимся и записывают в журнал.
Чтобы исключить трудоемкую операцию по измерению радиуса капилляра, для определения поверхностного натяжения используют относительный метод. Для этого находят константу ячейки k, которую рассчитывают по значения максимального давления 
Рст и поверхностного натяжения sст для стандартных жидкостей (обычно дистиллированной воде) по формуле (1):
k = sст / Рст (1)
Определив коэффициент k и измерив давление Рмах для исследуемой жидкости, рассчитывают значение поверхностного натяжения по формуле (2)
sж-г = k Рмах (2)
Полученные результаты заносят в таблицу 1.
Измеряют поверхностное натяжение исследуемой жидкости при нескольких значениях температуры. Перед измерениями проводят термостатирование жидкостей при каждом значении температуры.
По данным измерений строят график зависимости s = f (Т) ипо тангенсу угла наклона полученной прямой находят значение температурного коэффициента ds/dТ. Для каждой температуры пол уравнениям 1 и 2 рассчитывают Us и qs и делают вывод о влиянии температуры на термодинамические параметры поверхностного слоя жидкости.
Таблица 1 – Экспериментальные и расчетные данные для вычисления полной поверхностной энергии жидкости
Вопросы для самоподготовки
1. Признаки объектов коллоидной химии. Классификация объектов коллоидной химии Примеры дисперсных систем.
2. Мера гетерогенности и степени раздробленности дисперсных систем.
3. Параметры, характеризующие степень раздробленности и связь между ними.
4. Что такое поверхностное натяжение и в каких единицах оно измеряется?.
5. Как зависит поверхностное натяжение от природы вещества, образующего поверхность.
6. Методы, используемые для определения поверхностного натяжения жидкостей и твердых тел.
7. Как и почему зависит поверхностное натяжение тел от температуры.
8. Уравнение для расчета полной поверхностной энергии.
Методы измерения поверхностного натяжения
1) В статических методах поверхностное натяжение определяется на основе изучения равновесного состояния, к которому самопроизвольно приходит изучаемая система. В практикуме используются статические методы уравновешивания пластинки (метод Вильгельма) и капиллярного поднятия.
В методе Вильгельма определяется сила, которая необходима для уравновешивания тонкой пластинки шириной d, погруженной в жидкость; обычно используется полностью смачиваемая жидкостью пластинка, и поверхностное натяжение рассчитывается из выражения:
Метод капиллярного поднятия основан на определении высоты столба жидкости h в капилляре радиуса r при полном смачивании; поверхностное натяжение рассчитывают по формуле:
Более точная формула учитывает объем жидкости над мениском, равный πr 3 /3. Удобно использовать не один, а два капилляра с разными радиусами r’ и r», градуированные по эталонной жидкости с известным поверхностным натяжением σэ. Тогда:
Метод лежащей капли основан на измерении геометрических параметров равновесной капли, форма которой определяется соотношением плотности и поверхностного натяжения жидкости.
2) Полустатические методы, как и статические, основаны на достижении системой некоторого равновесного состояния, но для полустатических методов это равновесие неустойчиво. Определение основано здесь на изучении условий, при которых система теряет свое равновесие. В практикуме используются методы отрыва пластинки и кольца, а также максимального давления в пузырьке (капле).
Метод отрыва пластинки, как и метод Вильгельма, основан на определении силы, действующей со стороны жидкости на смачиваемую ею пластинку, но определение этой силы производится при отрыве пластинки от поверхности, что смягчает требования к смачиванию пластинки. Расчет поверхностного натяжения производится по выражению (3.6).
Метод отрыва кольца является одним из наиболее распространенных методов определения поверхностного натяжения жидкостей; связь поверхностного натяжения с силой F, необходимой для отрыва от поверхности жидкости тонкого кольца радиуса R, хорошо смачиваемого жидкостью (краевой угол смачивания θ= 0 o ), описывается выражением:
где: величина k зависит от соотношения радиуса кольца и толщины проволоки, из которой оно сделано, а также от поверхностного натяжения жидкости; однако последняя зависимость достаточно слаба, что позволяет с удовлетворительной надежностью использовать этот метод как относительный:
где: величины σэ и Fэ относятся к эталонной жидкости.
Метод максимального давления пузырька (капли) основан на измерении максимального значения капиллярного давления Р = 2σ / r0, возникающего при образовании на срезе капилляра пузырька сферической формы; это максимальное давление определяется радиусом капилляра ro. Метод чаще всего используется как относительный, и поверхностное натяжение исследуемой жидкости определяется по отношению значений максимальных давлений Р исследуемой и эталонной Рэ жидкостей или из соотношения соответствующих высот поднятия манометрической жидкости:
При увеличении количества газа, проходящего через капилляр, возраст поверхности снижается, а, следовательно, снижается время, необходимое молекулам для диффузии или адсорбции на межфазной поверхности. Это приводит к неполному покрытию вновь образованной поверхности активными молекулами, в результате поверхностное натяжение увеличивается. Продолжительное наблюдение за каждым пузырьком (за временем и давлением) позволяет построить кривую зависимости поверхностного натяжения от возраста поверхности рисунок 10.
Рисунок 10. Метод максимального давления в определении поверхностного натяжения
3) Динамические методы используются реже; они применяются в основном для изучения поверхностных слоев в неравновесном состоянии, что позволяет, например, исследовать кинетику адсорбции и т.д.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные методы определения поверхностного натяжения.
Метод капиллярного поднятия.
Сталагмометрический метод (метод взвешивания капель)
Рисунок 11. Схема установки сталагмометрического измерения s.
Начинают отсчет капель при достижении мениском метки 1 и заканчивают – после прохожденияжидкостью нижней метки 2. Вытекающую жидкость собирают в бюксе 3. Проводят 3-5 замеров числа капель и рассчитывают среднее арифметическое значение. Поверхностное натяжение вычисляют по приведенному выше уравнению для s.
Метод максимального давления пузырьков воздуха.
Метод основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырьков газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр. Росту пузырька, другими словами, увеличению поверхности раздела фаз препятствуют силы поверхностного натяжения. И чем больше s, тем больше следует приложить усилий (создать внутреннее давление), чтобы выдуть пузырек в жидкость. В момент его отрыва от кончика капилляра внутреннее давление максимально и пропорционально s. Кончик капилляра должен лишь смачиваться жидкостью и слегка приподнимать мениск вверх. При таком условии поправкой на гидростатическое давление при образовании пузырьков можно пренебречь. Максимальное давление в пузырьке можно измерить с помощью прибора Ребиндера (в модификации С.Н.Алёшина), изображенного на рисунке 12. Он состоит из измерительной ячейки, в которую наливается исследуемая жидкость. Капилляр соединен резиновой трубкой (2) с буферным шариком (7), в котором воздух сжимается водой, поступающей из воронки (6). Создаваемое в системе давление измеряется по разности уровней жидкости в коленах U- образного манометра (1).
2. соединительная резиновая трубка;
3. трубка для слива воды;
5. трехходовой кран;
6. воронка для водопроводной воды;
Рисунок 12. Прибор для определения поверхностного натяжения жидкостей методом наибольшего давления пузырьков воздуха:
Измерение поверхностного натяжения жидкостей заключается в следующем: исследуемую жидкость заливают в измерительную ячейку, опускают в неё капилляр так, чтобы он едва касался поверхности жидкости. В момент проскока пузырек воздуха должен преодолевать сопротивление только поверхностного слоя жидкости.
Если теперь в капилляр сверху под давлением h (разность уровней манометра) подать воздух, то он будет вытеснять исследуемую жидкость из капилляра. Как только давление окажется чуть больше силы, удерживающей жидкость в капилляре, из капилляра проскочит пузырёк воздуха. Таким образом, получается, что поверхностное натяжение пропорционально давлению h, измеряемому манометром в момент отрыва пузырька воздуха.
Контрольные вопросы:
1. Дайте общие определения поверхностного натяжения
2. Опишите теоретические основы поверхностного натяжения
3. Опишите взаимосвязь между поверхностным натяжением и смачиваемостью
4. Покажите связь поверхностного натяжения с плотностью и вязкостью
5. Перечислите основные методы измерения поверхностного натяжения
7. Опишите сталагмометрический метод определения поверхностного натяжения
Лекция 7
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
