4.3. Методы измерения поверхностного натяжения

В большинстве случаев измерение поверхностного натяжения сводится к измерению силы, действующей на единицу длины некоторого периметра. Тонкости связаны с учетом разнообразных поправок при вычислении натяжения по величине измеренной силы или давления.

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 ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов. Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения. Например, для раствора мыла после перемешивания поверхностное натяжение 58 мДж/м², а после отстаивания – 35 мДж/м².

Измерение натяжения основано на его макроскопических проявлениях: подъем жидкости в капилляре, избыточное давление в пузырьке газа, втягивание смачиваемой пластинки в жидкость и т. д. В соответствии с этим различают и методы измерения поверхностного натяжения.

Статические методы:

• метод капиллярного поднятия;

• метод Вильгельми;

• метод лежачей капли;

• метод определения по форме висячей капли.

Динамические методы:

• метод Дю Нуи (метод отрыва кольца);

• сталагмометрический или метод счета капель;

• метод максимального давления пузырька (по Ребиндеру).

• метод осциллирующей струи;

• метод стоячих волн.

Измерение величины межфазного натяжения сталагмометрическим методом

Простейшая теория сталагмометрического метода подразумевает, что капля жидкости отрывается от кончика капилляра (трубки), когда ее вес (m·g) станет равен силе натяжения 2·π r_о σ, действующей на линию, длина которой 2·π r_о равна длине окружности с радиусом r_о, равным радиусу капилляра. Тогда поверхностное натяжение можно вычислить но формуле:

. (4.8)

Масса капли т вычисляется как средняя величина, полученная из общей массы нескольких капель, вытекших из капилляра. При этом величина натяжения вычисляется довольно грубо по следующим причинам. Фактически перед отрывом капля соединена с капилляром шейкой, радиус которой r меньше радиуса капилляра r_о. Образование шейки является следствием того, что верхняя часть капли имеет цилиндрическую кривизну, и для создания примерно того же капиллярного давления, что и в нижней части капли, ее радиус должен стать заметно меньше.

Наблюдения показали, что на самом деле отрывается не одна, а две капли. Вторая (меньшего размера) образуется за счет стягивания в каплю сильно растянутой шейки, возникающей при отрыве капли. Поправки на эти эффекты существуют в виде таблиц. Характер этих поправок таков, что вместо величины 1/2π в формуле (4.8) появляется переменный коэффициент, величина которого монотонно растет от 0,172 до 0,2559 при уменьшении объема V отрывающихся капель от 5000·r_о³ до 0,403 r_о³.

Сталагмометрический метод основан на определении объема капель, выдавливаемых из капилляра на границе раздела фаз [45].

Поверхностное натяжение на границе двух жидкостей определяется по формуле:

, (4.9)

где σ – поверхностное натяжение, мН/м; К – постоянная капилляра, (мН/м)/(кг/м³); V – объем выдавливаемой капли, в делениях шкалы; ρ₁, ρ₂ – плотность граничащих жидкостей, кг/м³.

Для определения постоянной капилляра необходимо замерить межфазное поверхностное натяжение такой органической жидкости на границе с дистиллированной водой, для которой это значение имеется в справочнике. Например, величина поверхностного натяжения на границе октан – дистиллированная вода по справочнику равна 50,98 мН/м. Определив на сталагмометре объем выдавливаемой капли, постоянную К капилляра определяют по формуле:

, (4.10)

где 50,98 – поверхностное натяжение на границе октан – дистиллированная вода; ρ_в – плотность воды; ρ_о – плотность октана.

Если плотность исследуемых жидкостей неизвестна, она определяется одним из доступных методов.