Способы определения поверхностного натяжения жидкостей кратко

Обновлено: 05.07.2024

Существуют два типа методов определения поверхностного натяжения: статические и динамические[4].

-Динамические методы, например метод колебания струи, вытекающей из отверстия неправильной формы, позволяют измерить поверхностное натяжение вновь образованной поверхности сразу после ее образования[4].

-Статическими методами измеряют поверхностное натяжение на границе раздела фаз, пришедших в равновесие. Если равновесие между фазами устанавливается достаточно быстро, то статическое поверхностное натяжение можно измерить достаточно просто. Если же равновесие устанавливается за очень длительный промежуток времени, особенно при переходе одного из компонентов системы через границу раздела фаз, то ни один из методов не дает истинного значения равновесного поверхностного натяжения. В этом случае говорят о полустатических значениях поверхностного натяжения и в обязательном порядке следует оговаривать продолжительность образования новой поверхности раздела фаз [4].

Наибольшее распространение получили следующие методы определения поверхностного натяжения жидких межфазовых границ:

-метод измерения массы или глубины погружения предмета в исследуемую жидкость (метод Вильгельми);

-метод измерения геометрических размеров свободных поверхностей раздела фаз (лежащая, висящая или вращающаяся капля, сидящий или висящий пузырек);

-сталагмометрический метод (метод счета капель);

-метод измерения усилия отрыва предмета от поверхности раздела фаз (отрыва цилиндра - метод Падди, отрыва кольца - метод Дю-Нуи);

-метод измерения капиллярного поднятия жидкости;

-метод измерения максимального давления в пузырьке газа или капле жидкости (метод Шредингера) [4].

Способ измерения поверхностного натяжения с помощью сталагмометра основовыется на том, чтов момент отрыва капли,вытекающей из круглого отверстия,вес капли равна силе поверхностногонатяжения[3].

Сталагмометр (рис1.) представляет собой толстостенную капиллярную трубку, которая внутри имеет расширение. Нижний конец капилляра хорошо отшлифованный. С обеих сторон от расширенной части трубки сделаны метки.

Рис1.Сталагмометр.

В момент отрыва капли вес ее ро равна силе поверхностного натяжения р_{п. н}.:

где V_к – об’єм капли; ρ - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести.

Средний объем капли vк равен объему жидкости v, что находится между двумя рисками в сталагмометра, разделенную на соответствующее количество капель n:

Сила поверхностного натяжения р_{п. н.} равна:

где r – радиус отверстия капилляра; σ - поверхностное натяжение.

В момент отрыва ро = р_{п. н} . Отсюда:

При измерении количества капель объем воды (эталона) и исследуемой жидкости и радиус капилляра остаются величинами постоянными. Соответственно можно записать:

где индекс "0" относится к воде. Сопоставляя уравнения и, получим формулу для определения поверхностного натяжения исследуемого раствора:

По данным зависимости поверхностного натяжения от концентрации ПАВ можно построить кривую - изотерму поверхностного натяжения. Если провести касательную к кривой в точке, соответствующей определенной концентрации, то отрицательное значение тангенса угла наклона касательной будет поверхностной активностью. То есть, величина является мерой способности вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз[3].

Перед началом работы сталагмометра промыть хромовой смесью и несколько раз сполоснуть водой . При переходе от одного водного раствора к другому следует ополаскивать сталагмометра последовательно дистиллированной водой и исследуемым раствором .

Для измерения поверхностного натяжения сталагмометра закрепляют строго вертикально в штативе и затягивают в него жидкость через резиновую трубку , одеть на верхний край капилляра, так, чтобы уровень жидкости был выше верхней риски . Внимательно проверяют жидкость в капилляре , чтобы в ней не было пузырьков воздуха . Дают возможность жидкости вытекать из сталагмометра медленно [3].

Когда уровень жидкости дойдет до верхней основной риска , начинают считать капли и продолжают до тех пор , пока жидкость в сталагмометра не дойдет до одной из нижних делений. Количество жидкости , вытекающей при этом из капилляра, соответствует определенному объему. При измерении опыт повторяют 3 - 4 раза и берут среднее число капель.

Сначала определяют количество капель n0 при истечении стандартной жидкости с известной величиной поверхностного натяжения . Обычно для этого берут воду . Далее определяют количество капель для воды [3].

Чтобы определить σ, нужно также измерить плотность жидкости. Это делают с помощью ареометра[3].

Задача

Определите поверхностное натяжение бензола при 293, 313 и 343 К. Примите, что полная поверхностная энергия не зависит от температуры и для бензола равна 61,9 мДж/м 2 . Температурный коэффициент

dσ/dT = - 0,13 мДж/(м 2 ·K).

Внутренняя (полная) энергия поверхностного слоя Us (в расчете на единицу площади) связанна с уравнением Гиббса – Гельмгольца:

σ=61.9+293(-0.13)=23.81 мДж/м 2

σ=61.9+313(-0.13)=21.21 мДж/м 2

σ=61.9+343(-0.13)=17.31 мДж/м 2

Список использованных источников:

4. Стромберг А.Г. Физическая химия. – М.: Высшая школа. 2006

6. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматографии. - М.: Высш. шк., 1986.

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя.

В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами.

Статические методы:

1. Метод поднятия в капилляре

Основан на определении высоты столба жидкости h в капилляре радиуса r при полном смачивании; поверхностное натяжение рассчитывают по формуле:

Высота подъема , где -разность плотностей жидкости и вытесняемого газа, r-радиус капилляра. Точность определения поверхностного натяжения растет с уменьшением отношения r/а (а-капиллярная постоянная жидкости).

При идеальном смачивании, т. е. когда краевой угол смачивания равен нулю справедливо уравнение:

= ghr/2,

g - ускорение свободного падения.

Недостатком этого метода является зависимость высоты подъема жидкости от характера смачивания стенок капилляра исследуемой жидкостью

2. Метод Вильгельми

Универсальный метод, особенно подходит для измерения поверхностного натяжения в течение длительного промежутка времени. Измеряется усилие, возникающее в процессе отрыва стеклянной пластины от поверхности жидкости

При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины

где G₀- вес сухой пластины

3. Метод лежачей капли

Метод основан на измерении формы капли, находящейся на несмачиваемой поверхности.

4. Метод определения по форме висячей капли.

Измеряется возможность проводить измерения при повышенной температуре и давлении. Оптическими методами анализируют геометрию капли.

5. Метод вращающейся капли

Сущностью метода является измерение диаметра капли жидкости, вращающейся в более тяжелой жидкости. Капля жидкости плотностью r₁ помещается в трубку с более тяжелой (плотность r₂) жидкостью. При вращении трубки с угловой скоростью w капля вытягивается вдоль оси, принимая приближенно форму цилиндра радиуса r. Расчетное ур-ние:

Этот способ измерения годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения.

Динамические методы:

1. Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).

Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.

Для отрыва проволочного кольца радиусом R от пов-сти жидкости требуется сила

2. Сталагмометрический, или метод счета капель.

Метод основан на определении объема капли, вытекающей из капилляра с известным радиусом

Рис.Схема простейшего сталагмометра На рис.показана схема простейшего сталагмометра, который представляет собой сферический пузырек В известного объема V_k, ограниченный метками b и d и соединенный с двумя калиброванными капиллярами, имеющими объем каждого деления v_е. Сталагмометр заполняют жидкостью, затем позволяют мениску очень медленно перемещаться по капилляру, перекрывая частично доступ воздуха в капилляр А с помощью резиновой трубки и зажима таким образом, чтобы каждая капля образовывалась за время не менее 4 с. После падения первой капли проводится отсчет деления, соответствующего верхнему мениску a в капилляре А (n делений от метки a). Скорость последующего образование капель также контролируют и устанавливают время образования капли не менее 4–5 с. После достижения мениском метки, например e в нижнем капилляре C (m делений от метки d), определяют объем одной капли при числе подсчитанных вытекших из сталагмометра капель N :

(ур-ние Тейта),

где G-общий вес n капель, оторвавшихся под действием силы тяжести от среза капиллярной трубки радиусом r. Для повышения точности правую часть умножают на поправочный коэф., зависящий от г и объема капли.

К недостаткам сталагмометрического метода можно отнести возможность испарения жидкости с поверхности капель при их длительном образовании и необходимость введения поправочных коэффициентов для точного определения поверхностного натяжения.

При учете всех поправок погрешность сталагмометрического метода не превышает 1%.

3. Метод максимального давления пузырька (метод Ребиндера).

Оптимально подходит для измерения величины поверхностного натяжения в зависимости от возраста поверхности. Измеряется давление, которое необходимо приложить, чтобы пузырек пробульковал из капилляра в жидкость.

Расчет основан на ур-нии Лапласа. При выдавливании пузырька в жидкость через калиброванный капилляр радиусом г перед моментом отрыва давление

В этом случае определяется так называемое динамическое поверхностное натяжение, которое зависит от скорости пробулькавания пузырька.

4. Метод осциллирующей струи

5. Метод стоячих волн

6. Метод бегущих волн

σ — поверхностное натяжение;

ρ — плотность жидкости;

ν — вынуждающая частота;

g — ускорение свободного падения.

Статические методы:

1. Метод поднятия в капилляре

При идеальном смачивании, т. е. когда краевой угол смачивания равен нулю справедливо уравнение:

= ghr/2,

g - ускорение свободного падения.

2. Метод Вильгельми

При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины

где G₀- вес сухой пластины

3. Метод лежачей капли

Метод основан на измерении формы капли, находящейся на несмачиваемой поверхности.

4. Метод определения по форме висячей капли.

5. Метод вращающейся капли

Этот способ измерения годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения.

Динамические методы:

1. Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).

Для отрыва проволочного кольца радиусом R от пов-сти жидкости требуется сила

2. Сталагмометрический, или метод счета капель.

Метод основан на определении объема капли, вытекающей из капилляра с известным радиусом

(ур-ние Тейта),

При учете всех поправок погрешность сталагмометрического метода не превышает 1%.

3. Метод максимального давления пузырька (метод Ребиндера).

4. Метод осциллирующей струи

5. Метод стоячих волн

6. Метод бегущих волн

Существуют два типа методов определения поверхностного натяжения: статические и динамические.

Динамические методы, например метод колебания струи, вытекающей из отверстия неправильной формы, позволяют измерить поверхностное натяжение вновь образованной поверхности сразу после ее образования. Статическими методами измеряют поверхностное натяжение на границе раздела фаз, пришедших в равновесие. Если равновесие между фазами устанавливается достаточно быстро, то статическое поверхностное натяжение можно измерить достаточно просто. Если же равновесие устанавливается за очень длительный промежуток времени, особенно при переходе одного из компонентов системы через границу раздела фаз, то ни один из методов не дает истинного значения равновесного поверхностного натяжения. В этом случае говорят о полустатических значениях поверхностного натяжения и в обязательном порядке следует оговаривать продолжительность образования новой поверхности раздела фаз.

· метод измерения массы или глубины погружения предмета в исследуемую жидкость (метод Вильгельми);

· метод измерения геометрических размеров свободных поверхностей раздела фаз (лежащая, висящая или вращающаяся капля, сидящий или висящий пузырек);

· метод измерения усилия отрыва предмета от поверхности раздела фаз (отрыва цилиндра - метод Падди, отрыва кольца - метод Дю-Нуи);

· метод измерения максимального давления в пузырьке газа или капле жидкости (метод Шредингера).

На этом уроке пойдет речь о жидкостях и их свойствах. С точки зрения современной физики, жидкости являются наиболее сложным предметом исследований, потому что по сравнению с газами уже нельзя говорить о пренебрежимо малой энергии взаимодействия между молекулами, а по сравнению с твердыми телами нельзя говорить об упорядоченном расположении молекул жидкости (в жидкости отсутствует дальний порядок). Это приводит к тому, что жидкости обладают рядом интереснейших свойств и их проявлений. Об одном таком свойстве и пойдет речь на этом уроке.

Почему мыльные пузыри круглые, а водомерки не тонут? Все это следствия одного и того же физического явления, без которого вода не была бы водой.

О чем эта статья:

Понятие и характеристики поверхностного натяжения

С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:

капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной (а в невесомости они совсем шарообразные);
струя воды из-под крана стремится к цилиндрической форме;
булавка не тонет на поверхности воды в стакане;
многие насекомые могут скользить по поверхности воды.

Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.

Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости примерно равна их кинетической энергии. Это позволяет веществу сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости.

На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.

Поверхностное натяжение — это величина, которая показывает стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, и тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

Поверхностная энергия жидкости

W = σS

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Отсюда мы можем вывести формулу коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

σ = W/S

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит:

от природы жидкости;
температуры жидкости;
свойств газа, который граничит с данной жидкостью;
наличия поверхностно-активных веществ (например, мыло или стиральный порошок), которые уменьшают поверхностное натяжение.

Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.

Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения

F = σl

F — сила поверхностного натяжения [Н]

l — длина контура, ограничивающего поверхность жидкости [м]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности пятен после высыхания.

Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом

Поверхностное натяжение, 10 −3 Н/м

Хлорид натрия (водный раствор)

Азотная кислота 70%

Серная кислота 85%

Пример решения задачи

Тонкое алюминиевое кольцо радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Каким усилием можно оторвать кольцо от раствора? Температуру раствора считать комнатной. Масса кольца 7 г. Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора при комнатной температуре равен 4 × 10 -2 Н/м.

Решение

На кольцо действуют сила тяжести, сила поверхностного натяжения и внешняя сила, с которой отрывают кольцо от раствора.

Так как кольцо соприкасается с раствором и внешней и внутренней сторонами, то сила поверхностного натяжения удваивается:

Контур, ограничивающий поверхность жидкости, имеет форму окружности. Значит, его длина будет равна:

Подставляем в формулу силы поверхностного натяжения:

Условие отрыва кольца от поверхности раствора имеет вид второго закона Ньютона для инерциальных систем отсчета:

Подставляем силу поверхностного натяжения:

F = 0,007 × 10 + 4 × 4 × 10 -2 × 3,14 × 7,8 × 10 -2 = 0,11 Н

Ответ: Для того, чтобы оторвать кольцо от раствора, необходимо приложить силу в 0,11 Н.

Важность поверхностного натяжения

Выше мы уже показали, что поверхностное натяжение встречается в повседневной жизни достаточно часто. Но на самом деле оно встречается еще чаще!

В некоторых отраслях промышленности поверхностное натяжение используют как простой показатель загрязнения продуктов. Поскольку оно определяется на молекулярном уровне, любое изменение компонентов вещества может привести к изменению этого показателя. То есть если мы знаем, каким должно быть поверхностное натяжение совершенно чистого вещества, то по отклонению от этой нормы мы можем установить уровень его загрязнения.

Не только человек, но и представители живой природы используют физические явления в своих целях. Например, за счет поверхностного натяжения насекомые водомерки могут перемещаться по водной глади, не промочив лапки. Конечности водомерки отталкивают воду и захватывают воздух, что позволяет насекомым продавливать поверхность воды, не нарушая ее.

За счет поверхностного натяжения возникает такое любопытное явление, как ламинарное течение. Это упорядоченный режим течения вязкой жидкости или газа, при котором соседние слои жидкости не перемешиваются. Выглядит ламинарная струя так, как будто вода застыла.

И это еще не все: поверхностное натяжение позволяет предметам плавать, благодаря ему выживают и развиваются экосистемы, и даже состав воды стабилен только за счет этого явления. Без него вода бы постоянно находилась на границе двух агрегатных состояний: испарялась и вновь конденсировалась, так как молекулы легко выскакивали бы с ее поверхности.

Читайте также: