Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Химия arrow Коллоидная химия поверхностно-активных веществ

МЕТОД КАПИЛЛЯРНОГО ПОДНЯТИЯ

При частичном погружении капилляра в смачивающую его жидкость уровень жидкости в нем повышается до тех пор, пока гидростатическое давление столба не уравновесит действие силы, вызывающей втягивание жидкости в капилляр. Эта сила обусловлена искривлением поверхности жидкости вследствие смачивания и возникновением капиллярного давления, которое в данном случае действует в направлении, противоположном внешнему давлению. Искривление поверхности приводит к ее увеличению. При этом уменьшается радиус кривизны (от °о для плоской поверхности до RJ и совершается работа против силы поверхностного натяжения.

Связь капиллярного давления Рк с радиусом кривизны и поверхностным натяжением дает уравнение Лапласа

справедливое для случая, когда мениск является частью полусферы.

В состоянии равновесия гидростатическое давление столба жидкости в капилляре уравновешивает капиллярное давление:

где pj и р2 — плотность жидкости и газа (воздуха) соответственно; g — ускорение силы тяжести; h — высота капиллярного поднятия. Величиной р2 можно пренебречь

Тогда

Рис. 31

Мениск жидкости в капилляре

Таким образом, определение о сводится к измерению высоты капиллярного поднятия, что можно сделать с большой точностью с помощью катетометра. Величину же радиуса кривизны RK жидкого мениска измерить практически невозможно. Поэтому пользуются радиусом капилляра г, который связан с RK соотношением

где 0 — угол смачивания (рис. 31).

Тогда

Если радиус капилляра не слишком мал, то мениск под действием силы тяжести отклоняется от сферической формы и уравнение (Л.1) требует поправки. Более точная теория для этого случая и таблицы поправок содержатся в [26], [27].

Метод капиллярного поднятия относится к числу наиболее точных ввиду простоты теории и возможности точного определения экспериментальных величин. При соблюдении необходимых предосторожностей величина поверхностного натяжения может быть определена с точностью до 0,01 мН/м.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Прибор для определения поверхностного натяжения методом капиллярного поднятия (рис. 32) представляет собой ?/-образный сосуд, одно из колен которого имеет широкую трубку 1, а к другому припаян капилляр 2. В верхней части трубки 1 имеется пришлифованная пробка 3 и отводная трубка 4. У трубки 1 должен быть достаточно большой диаметр, чтобы поверхность жидкости в ней можно было считать плоской. Практически это выполняется при радиусе трубки 3-3,5 см. Поднятие жидкости наблюдают в капилляре 2.

Рис. 32

Схема прибора для определения поверхностного натяжения методом капиллярного поднятия

Одно из важных условий получения точных результатов заключается в правильном подборе капилляра. Диаметр его должен быть достаточно мал, чтобы обеспечить сферическую форму мениска (тогда можно использовать формулу (Л. 1) без поправок). В то же время капилляр не должен быть слишком узким, так как тогда становится заметной погрешность, связанная с адсорбцией воздуха на его стенках, что вызывает уменьшение его эффективного радиуса. Приемлемым является капилляр диаметром 0,2-0,5 мм. Важное значение имеет постоянство внутреннего и внешнего диаметров капилляра по его длине. Если стенки капилляра имеют градиент толщины, то она действует аналогично призме, смещая изображение мениска. Внутреннее сечение капилляра не должно отклоняться от круга, так как при иной форме сечения (например, эллиптической) капиллярное поднятие выше, чем при круговом сечении той же площади. Капилляр должен быть припаян строго параллельно оси широкой трубки 1. Диаметр капилляра определяют до его впаивания в прибор методом взвешивания ртути либо, впаяв его в прибор, рассчитывают по высоте поднятия жидкости с известным поверхностным натяжением.

Для обеспечения полной смачиваемости водой и водными растворами ПАВ требуется тщательная очистка поверхности стекла, особенно от жировых загрязнений. На чистом стекле растворы ПАВ и большинство органических жидкостей дают краевой угол смачивания, равный нулю. Исключение составляют катионактивные ПАВ, которые интенсивно адсорбируются из раствора на отрицательно заряженной поверхности стекла, ориентируясь углеводородными радикалами в воду и гидрофобизируя поверхность. В этом случае формула (Л. 1) применяться не может. Однако даже при 0 = 0 ввиду гистерезиса смачивания следует проводить измерения при краевом угле оттекания, т. е. повысив давление в широкой трубке прибора, необходимо поднять уровень в капилляре, после чего вернуть его в исходное положение.

Получение точных результатов требует поддержания постоянства температуры с точностью до 0,01 °С. Для этого прибор погружают в водяной ультратермостат, в стенку которого вмонтировано окошко из оптического стекла. Разность уровней жидкости в широкой трубке и капилляре измеряют с помощью катетометра КМ-6.

Катетометр — это оптический прибор, предназначенный для точного измерения небольших расстояний (или смещений) по вертикали.

Рис. 33

Катетометр КМ-6

Катетометр (рис. 33) состоит из вертикального штатива 1, установленного на массивном треножнике 2. По штативу в вертикальном направлении перемещается измерительная каретка 3, на которой расположены зрительная труба 4 и отсчетный микроскоп 5. Последний служит для считывания показаний миллиметровой шкалы, вмонтированной в штатив параллельно его оси.

Работа с катетометром начинается с установки его по уровню с помощью винтов 6.

Затем, отпустив винт 7, направляют зрительную трубу в сторону широкой трубки прибора для определения ст, после чего закрепляют ее винтом 7.

Поднимают (или опускают) каретку до уровня жидкости в широкой трубке прибора, для чего используют винт 8 (на задней стороне каретки). Отпуская винт 8, необходимо придерживать каретку рукой. Далее проверяют горизонтальность установки зрительной трубы 4. Для этого необходимо посмотреть в окуляр 9. При горизонтальном положении трубы в поле зрения должны находиться две совмещенные половины пузырька. В случае необходимости корректируют установку зрительной трубы, вращая винт 10. Сфокусировав зрительную трубу с помощью маховичка 11, устанавливают ее так, чтобы уровень жидкости в широкой трубке совпадал с горизонтальной риской перекрестия, находящегося в поле зрения (рис. 34а). Установка зрительной трубы производится при закрепленном винте 12 винтами 13 и 1. Включив осветитель 15 отсчет- ного микроскопа, записывают отсчет п0, соответствующий положению уровня жидкости в широкой трубке. (Перед каждым отсчетом следует проверять и при необходимости корректировать правильность установки зрительной трубы по горизонтали винтом 10.) Отсчет производится следующим образом. Горизонтальный штрих миллиметровой шкалы (рис. 35) пересекает масштабную сетку, кото-

Рис. 35

Масштабная сетка катетометра (фрагмент)

Рис. 34

Установка зрительной трубы катетометра

рая содержит шкалу десятых (по вертикали) и шкалу сотых (по горизонтали) долей миллиметра. На рисунке 35 миллиметровый штрих 102 мм пересекает белые линии, соответствующие ОД мм (широкая наклонная линия) и 0,03 мм (узкая вертикальная линия). Таким образом, отсчет составляет 102,13 мм. Тысячные доли мм отсчитываются приближенно. Измерение уровня следует производить 3-5 раз (сбивая положение горизонтальной риски перекрестия вращением винта 14) и находить среднее значение.

Аналогичным образом производят отсчет положения мениска в капилляре. При этом делают два замера, один из которых фиксирует положение дна мениска (л), а другой — положение границы смачивания (л') (рис. 346). Таким образом определяют разность уровней между дном мениска и плоской поверхностью Л0 = л - л0 и высоту мениска Ah = п- л'. Истинное поднятие жидкости в капилляре выражается суммой

Слагаемое учитывает тот вклад в гидростатическое

давление, который вносит жидкость, находящаяся в мениске.

Прибор для определения а (см. рис. 32) промывают свежеприготовленной теплой хромовой смесью (лучше заполнить ею сосуд и выдержать 2-3 ч), затем промывают водопроводной и дистиллированной водой, после чего высушивают. При использовании воды и водных растворов сушки не требуется.

Если радиус капилляра неизвестен, его определяют с помощью стандартной жидкости. В качестве таковой служит бидистиллированная вода, полученная перегонкой над перманганатом калия. Заполняют прибор таким количеством стандартной жидкости, чтобы уровень ее в капилляре не менее чем на 2-3 см не доходил до его верхней, изогнутой части. Заполненный сосуд закрывают пришлифованной пробкой 3 (см. рис. 32). Прибор погружают в термостат с требуемой температурой. Глубина погружения должна быть такой, чтобы уровень мениска в капилляре был не менее чем на 1-2 см ниже поверхности термо- статирующей жидкости. Прибор должен быть закреплен строго вертикально (по отвесу). В термостате прибор выдерживают 10-15 мин для установления теплового равновесия. С помощью резиновой груши через отводную трубку 4 слегка повышают уровень жидкости в капилляре. Соединив прибор с атмосферой, возвращают мениск в исходное положение, после чего катетометром измеряют уровень жидкости в широкой части сосуда (л0), уровень дна мениска (л) и границы смачивания (л'). Записывают отсчеты.

Опорожнив сосуд, ополаскивают его испытуемым раствором. Заполнение прибора и измерения производятся так же, как описано для стандартной жидкости.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Вычисляют радиус капилляра по формуле

где hCT — капиллярное поднятие стандартной жидкости; аст и рст — ее поверхностное натяжение и плотность при температуре опыта (табл. П.1).

Высоту поднятия стандартной жидкости находят по формуле (Л.2).

2. Вычислив по формуле (Л.2) высоту капиллярного поднятия испытуемого раствора, рассчитывают его поверхностное натяжение, используя найденное значение радиуса капилляра.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы