Измерение поверхностного натяжения методом наибольшего давления пузырьков

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 s_ж-г и кривизной поверхности пузырька. Радиус кривизны

r _м изменяется по мере продавливания пузырька в жидкость. Со временем радиус кривизны уменьшается, пузырек становится все более выпуклым и при r _м = r избыточное давление внутри пузырька достигает максимального значения Р_{мах .} Это давление соответствует внешнему давлению в капилляре. Для дальнейшего увеличения размера пузырька не требуется повышение внешнего давления, поскольку с ростом пузырька внутреннее давление в нем в соответствии с уравнением Лапласа уменьшается. В результате воздух, находящийся в трубке, устремляется к сформировавшему пузырьку и приводит к его отрыву от капилляра. Таким образом, определение поверхностного натяжения рассматриваемым методом сводится к измерению внешнего давления, равного Р_мах

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 Р_мах 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 Р_мах, 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 Р_мах 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 Р_ст и поверхностного натяжения s_ст для стандартных жидкостей (обычно дистиллированной воде) по формуле (1):

k = s_ст / Р_ст (1)

Определив коэффициент k и измерив давление Р_мах для исследуемой жидкости, рассчитывают значение поверхностного натяжения по формуле (2)

s_ж-г = k Р_мах (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 U_s и q_s и делают вывод о влиянии температуры на термодинамические параметры поверхностного слоя жидкости.

Таблица 1 – Экспериментальные и расчетные данные для вычисления полной поверхностной энергии жидкости

Темпера- тура, К

Измеряемый параметр для расчета, sж-г

Поверхностное натяжение sж-г , Дж/м 2

Температурный коэффициент ds/dТ

Теплота образования единицы поверхности, Дж/м 2

Полная поверхностная энергия, Дж/м 2

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.

Источник

Метод максимального давления в пузырьке (метод Ребиндера)

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.

Согласно уравнению Лапласа давление внутри газового пузырька увеличивается при уменьшении его диаметра. При формировании газового пузырька на кончике капилляра, опущенного в жидкость, форма пузырька меняется в зависимости от приложенного давления.

Давление достигает максимума (Рmax), когда пузырек принимает форму сферы. Это максимальное давление прямо пропорционально поверхностному натяжению жидкости (P₀ — гидростатическое давление в капилляре за счет погружения, r — радиус сферы = радиус капилляра).

С помощью метода максимального давления в пузырьке (метод Ребиндера) можно измерять поверхностное натяжение до 100 мН/м. Диапазон возраста поверхности, измеряемого с помощью современных тензиометров серии ВР, от 5 мсек до 50 сек.

Области применения метода максимального давления в пузьрьке:

• Исследование ПАВ
• Оптимизация процессов распыления
• Изучение моющих и чистящих средств
• Оптимизция краски и окрашивания
• Проверка концентрации ПАВ в гальванических ваннах

Источник

Методы определения поверхностного натяжения

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные методы определения поверхностного натяжения.

Метод капиллярного поднятия.

Разность давлений, возникающая по обе стороны от поверхности жидкости при её искривлении, называется капиллярным давлением. Если капилляр опустить в жидкость, то за счет смачивания или несмачивания стенок капилляра образуется мениск, т.е. искривление поверхности жидкости и возникает капиллярное давление. Под его влиянием граница жидкости перемещается до тех пор, пока не установится равновесие между гидростатическим давлением и капиллярным. При этом смачивающая жидкость поднимается, а несмачивающая опускается. Высота капиллярного поднятия h зависит от поверхностного натяжения жидкости — измерив h можно рассчитать s.

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 r_o и r и поверхностным натяжением s₀ и s существует соотношение:

Измерив сначала число капель n₀ жидкости, поверхностное натяжение s_o и плотность r_o которой известны (обычно это вода), а затем — число капель n исследуемой жидкости, вытекающей из того же объема, рассчитывают по данной формуле искомое поверхностное натяжение исследуемой жидкости s.

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;

7. буферный шарик.

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.

Значение s не равно давлению h, а лишь пропорционально ему. Поэтому для измерения поверхностного натяжения необходимо ячейку прибора Ребиндера прокалибровать, используя жидкость (стандартную жидкость) с известным s. Обычно с этой целью применяют воду, для которой s₀ = 72,8×10 -3 Дж/м 2 при 20 0 С. Измеряют максимальное давление h₀ в пузырьке газа, выдавливаемом в воду. Далее рассчитывают константу ячейки k:

(1)

Измерив максимальное давление h в пузырьке газа, выдавливаемом в исследуемую жидкость, по известному k вычисляют её поверхностное натяжение:

Источник

Метод максимального давления пузырька — Maximum bubble pressure method

В физике , то метод максимального давления пузырька , или в коротком методе давления пузыря , представляет собой метод для измерения поверхностного натяжения в виде жидкости , с поверхностно -активными веществами .

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.

Такое неравенство молекулярных сил вызывает непрерывное движение молекул изнутри к поверхности, что означает, что поверхностные молекулы обладают дополнительной энергией , которая называется поверхностной свободной энергией или потенциальной энергией , и такая энергия, действующая на уменьшенную единицу площади, определяется как поверхность напряжение .

Это основа для интерпретации соответствующих явлений, возникающих на поверхности или на границе раздела материалов, и было разработано множество методов измерения поверхностного натяжения .

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.

Несмотря на то, что эти методы относительно просты и обычно используются для определения статического поверхностного натяжения , в случае, если примеси добавляются в жидкость, следует применять измерение поверхностного натяжения на основе динамического равновесия , поскольку для получения полностью сформированного материала требуется больше времени. поверхность, и это означает, что трудно достичь статического равновесия, как это делает чистая жидкость.

Наиболее типичной примесью, вызывающей измерение динамического поверхностного натяжения, является молекула поверхностно-активного вещества, которая имеет как гидрофильный сегмент, обычно называемый «головной группой», так и гидрофобный сегмент, обычно называемый «хвостовой группой» в одной и той же молекуле. Из — за характерную молекулярную структуру , поверхностно -активные вещества мигрируют в жидкую газовой фазу поверхности окаймления , пока внешняя сила не разогнать накопленные молекулы из интерфейса или поверхностей полностью занят и , таким образом , не может быть установлена дополнительными молекулами. Во время этого процесса поверхностное натяжение уменьшается как функция времени и, наконец, приближается к равновесному поверхностному натяжению (σ- _{равновесие} ). Такой процесс показан на рисунке 1. (Изображение было воспроизведено по ссылке)

Рисунок 1 — Миграция молекул ПАВ и изменение поверхностного натяжения (σ _t1 > σ _t2 > σ _{равновесие} )

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.

Давление ( Р ) внутри газового пузырька продолжает увеличиваться , а максимальное значение получается , когда пузырек имеет полностью полусферическую форму, радиус которой точно соответствует радиусу капилляра.

На рисунке 2 показан каждый этап образования пузырька и соответствующее изменение радиуса пузырька, и каждый этап описан ниже. (Изображение было воспроизведено по ссылке)

Рисунок 2 — Изменение давления во время образования пузырьков в зависимости от времени.

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 > \ times R _ <\ rm >> <2>>>

(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.

В настоящее время разрабатываемые и коммерчески доступные тензиометры контролируют давление, необходимое для образования пузыря, разность давлений внутри и снаружи пузыря, радиус пузыря и поверхностное натяжение образца рассчитываются за один раз, а сбор данных осуществляется через Управление с ПК .

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.

Источник