Измерение поверхностного натяжения растворов пав

Цели работы. 1. Ознакомление с методами измерения поверхностного натяжения. 2. Построение изотермы по­верхностного натяжения раствора ПАВ по эксперимен­тальным данным.

Вариант 1.

ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ РАСТВОРОВ ПАВ МЕТОДОМ НАИБОЛЬШЕГО ДАВЛЕНИЯ В ПУЗЫРЬКЕ

Краткие теоретические положения. Метод заключается в том, что через стеклянный капилляр в жидкость выдува­ется пузырек воздуха. Так как поверхностное натяжение есть работа образования или разрушения единицы поверх­ности, то усилие, затраченное на разрыв пленки пузырька, будет пропорционально поверхностному натяжению. Это усилие определяется тем наибольшим давлением (Р), при котором пузырек отрывается от капилляра. В момент отры­ва пузырька выполняется следующее равенство:

P = Р_гидр + P_кап. (1.19)

где Р_гидр — гидростатическое давление столба жидкости в капилляре:

Р_гидр = h(ρ₂ – ρ₁) g, (1.20)

где h — глубина погружения капилляра в жидкость; ρ₂, ρ₁ — плотности соответственно жидкости и насыщенного мара; g — ускорение свободного падения.

Капиллярное давление Р_кап, действующее на вогнутую поверхность жидкости:

Р_кап = 2σ/R (1.21)

где σ — поверхностное натяжение; R — радиус капилля­ра, равный в момент отрыва пузырька радиусу кривизны его поверхности.

Если капилляр только касается поверхности жидко­сти, то можно принять, что h = 0, следовательно, Р_гидр = 0, и тогда

Р = 2σ/R (1.22)

Отсюда

σ = RP/2. (1.23)

Значение R можно рассчитать по давлению Р₀, при котором происходит отрыв пузырька воздуха с данного капилляра, соприкасающегося со стандартной жидкостью, поверхностное натяжение (σ₀) которой хорошо известно:

R=2₀/P₀

Тогда:

(1.23а)

Если обозначить: (1.24)

Схема установки представлена на рис. 11. Сосуд 1 с исследуемой жидкостью соединяется с источником разря­жения — водяным эжектором 2. Давление измеряется наклонным манометром 3. Во время работы в сосуде над

Рис. 11

Схема установки для определения поверхностного натяжения методом наибольшего давления пузырька

поверхностью жидкости создается разряжение в результа­те того, что из эжектора истекает вода, а над капилляр­ным кончиком в трубке 4 давление атмосферное, это при­водит к тому, что через трубку 4 засасывается воздух и на капиллярном кончике ее образуется воздушный пузырек. При достижении определенной разности давлений (∆Р) происходит отрыв образовавшегося пузырька:

∆Р = Р - Р_атм

где Р — показания манометра в момент отрыва пузырька; Р_атм — показания манометра при атмосферном давлении.

Если Р_атм принять за точку отсчета (нулевое значение шкалы),то

∆Р= Р

где Р — максимальное давление газового пузырька.

Таким образом, простым умножением К на значение показания манометра получают величину поверхностного натяжения исследуемой жидкости

σ_x = КР.

Величину К, как было сказано выше, определяют экс­периментально, используя в качестве стандартной жидко­сти дистиллированную воду, поверхностное натяжение которой (σ_H2O) хорошо известно:

Приборы и реактивы. 1. Прибор Ребиндера. 2. Водя­ной эжектор. 3. Манометр. 4. Мерные колбы на 50 см³ — 8 шт. 5. Мерная пипетка. 6. Исследуемые ПАВ (по указа­нию преподавателя). 7. Дистиллированная вода.

Порядок выполнения работы.

1. В сосуд прибора Ребиндера наливают дистиллиро­ванную воду. Ее должно быть столько, чтобы капилляр­ный кончик трубки только касался жидкости. Избыток жидкости отбирают через капиллярную трубку, как это делается при использовании пипетки.

2. Присоединяют прибор Ребиндера к источнику ваку­ума, для этого надевают на его патрубок резиновую труб­ку, идущую от водяного эжектора.

3. Отмечают нулевое показание шкалы манометра (Р_атм).

4. Проверяют герметичность установки. Для этого тонкой струйкой сливают воду из водяного эжектора, пока в сосуде не начнут выделяться пузырьки воздуха. Тогда кран эжекто­ра закрывают и убеждаются, что в течение 2-3 минут со­зданное в сосуде разрежение сохраняется (жидкость в мано­метре не опускается). Если давление в сосуде понижается (т. е. нет герметичности), то надо обратиться к лаборанту.

5. Регулируют слив воды из эжектора так, чтобы в минуту образовалось 2-3 пузырька. Нельзя допускать об­разования устойчивых гроздьев мелких пузырьков или слишком медленное их образование, это влияет на точ­ность измерения. При образовании пузырька давление постепенно нарастает, достигает максимума, при отрыве пузырька резко падает и снова медленно нарастает при образовании следующего пузырька. Давление отрыва пу­зырька соответствует максимальному поднятию жидко­сти в манометре (Р).

Производят 5 замеров и берут среднее из трех послед­них (P_cр), два первых замера не учитывают

7. Рассчитывают константу сосуда (К) по формуле:

K= σ_о / P_cр

где σ_о — поверхностное натяжение воды при данной тем­пературе (табл. Приложения).

Та блица 2 Исходные данные и результаты эксперимента

6. В мерных колбах на 50 см³ готовят 8 растворов ПАВ заданной концентрации (по указанию преподавателя).

7. Измеряют Р для исследуемых растворов, как это было сделано для воды, начиная измерение с наиболее разбавленного раствора. Перед измерениями сосуд тща­тельно ополаскивают исследуемым раствором. В ходе всех измерений следят за тем, чтобы нулевое показание мано­метра (точка отсчета) оставалось неизменным.

8. Рассчитывают поверхностное натяжение исследуемых растворов по формуле:

σ = КР_ср.

7. Полученные данные сводят в таблицу 2.

Вариант 2.