Определение поверхностного натяжения и расчёт характеристик адсорбционного мономолекулярного слоя

Цель работы: Определение поверхностного натяжения методом максимального давления пузырьков. Расчет величины адсорбции и основных характеристик адсорбционного мономолекулярного слоя изоамилового спирта на границе раздела раствор-воздух.

Т еоретические основы работы

(См. Теоретическое введение)

Если известна экспериментальная зависимость поверхностного натяжения от концентрации раствора, выражаемая изотермой поверхностного натяжения, то применяя уравнение адсорбции Гиббса (64), можно рассчитать величину адсорбции. Это делают следующим образом. Берут точку на изотерме поверхностного натяжения и проводят через неё касательную (Рис. 27).

Угол наклона касательной α. согласно геометрическому смыслу производной

П одставляя отношение (-z/с) в уравнение адсорбции Гиббса

и сокращая, получим

г де Г – величина адсорбции, моль/м²; R –универсальная газовая постоянная R = 8,314 Дж/моль·К; Т – абсолютная температура, К.

Отрезок z определяется на оси ординат с учетом масштаба. Взяв несколько точек на изотерме поверхностного натяжения (не менее 5), указанным способом по уравнению (65) находят адсорбцию при различных концентрациях раствора Г₁ ~c₁, Г₂ ~c₂ и т.д. Затем строят график зависимости адсорбции от концентрации раствора, который называют изотермой адсорбции (Рис. 28). Данный график описывается уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра

или

где A – величина адсорбции, моль/г; Г_∞ и А_∞ - предельные величины адсорбции;

с – концентрация раствора, моль/л; К – константа адсорбционного равновесия.

Поделив единицу на левую и правую часть выражения (66), получим уравнение

прямой линии в координатах 1/Г = f (1/с) которое позволяет графическим способом находить постоянные Г_∞ и К в уравнении Лeнгмюра (Рис. 29).

Отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен 1/Г_∞. По тангенсу угла наклона прямой находят константу адсорбционного равновесия К:

Адсорбционный мономолекулярный слой характеризуется площадью, занимаемой молекулой ПАВ в поверхностном слое S₀ и длиной молекулы l, которая определяет толщину адсорбционного слоя где N – число Авогадро, N = 6,02·10²³; M –молекулярная масса; ρ − плотность исследуемого вещества (для изоамилового спирта М = 86,1 кг/кмоль; ρ = 0,8·10³ кг/м³).

(68), (69)

Наиболее доступными для экспериментального измерения поверхностного натяжения являются системы жидкость-газ и жидкость-жидкость. Известно несколько методов определения поверхностного натяжения: капиллярного поднятия, сталагмометрический (метод счета капель), отрыва кольца, максимального давления пузырьков и другие. Наиболее простым из них (хотя менее точным) является последний из указанных методов.

Метод максимального давления пузырька

Основой метода служит зависимость давления P со стороны жидкости на п узырек газа радиусом r и поверхностным натяжением σ. Это давление стремится уменьшить поверхность пузырька в соответствии с уравнением Лапласа

где ΔP – капиллярное давление.

Из уравнения Лапласа следует, что поверхностное натяжение жидкости можно определить, измерив давление, которое необходимо приложить для образования пузырька воздуха в поверхностном слое из капилляра радиусом r. Схема установки для измерения поверхностного натяжения показана на рис. 30, а. В рабочий сосуд 1 наливают дистиллированную воду до уровня, при котором кончик капилляра 2 погружён в неё менее чем на 1 мм. Избыток жидкости сливают. Шлангами соединяют рабочий сосуд с аспиратором 3, который заполняется водой, и манометром 4. Осторожно начинают сливать воду из аспиратора, что приводит к созданию вакуума в системе. При этом увеличивается разность давлений внутри измерительной пробирки и в капилляре, что обусловливает образование на конце капилляра пузырька воздуха в поверхностном слое жидкости. Форма и размер пузырька меняются последовательно (Рис. 30, б) при непрерыв-

ном увеличении давления до его максимального значения.