Измерение поверхностного натяжения растворов пав сталагмометрическим методом

Краткие теоретические положения. Определение по­верхностного натяжения этим методом основано на том, что в момент отрыва капли от нижнего конца вертикаль­ной трубки вес капли (Р) уравновешивается силой (F), которая действует вдоль окружности шейки капли и пре­пятствует ее отрыву: Р = F.

F = 2πrσ, (1.25)

где r — радиус шейки капли в момент отрыва от трубки; σ — поверхностное натяжение жидкости.

Так как r меньше, чем радиус трубки(R),то вводят поправочный коэффициент k:

r = kR (1.26)

Поправочный коэффициент k зависит от отношения объема капли (V) к кубу радиуса трубки (R):

k = V/R³.

Экспериментально показано, что этот коэффициент не очень сильно меняется при изменении объема капель даже в 1000 раз:

• для V/R³ = 5000 k = 0,172;

• для V/R^s = 250 k = 0,198;

• для V/R³ = 0,98 k = 0,260;

• для V/R³ = 0,51 k = 0,244.

Следовательно, можно считать, что он одинаков для разных жидкостей и зависит только от геометрических параметров самой трубки.

Тогда

F = 2πkRσ

Так как в момент отрыва капли F= Р, определив вес образующейся капли (Р), можно вычислить поверхност­ное натяжение жидкости:

σ= P/2πkr (1.27)

Для определения веса кап­ли пользуются сталагмомет­ром, который представляет собой стеклянную трубку с расшире­нием в средней части, заканчи­вающуюся внизу* капилляром (рис. 12). Трубка обычно име­ет горизонтальную коленчатую часть, в которую впаян капил­ляр для того, чтобы жидкость капала медленнее. Расширен­ная часть трубки ограничена двумя метками. Для измерения

поверхностного натяжения в сталагмометр засасывают ис­следуемую жидкость выше верхней метки. Когда уровень жидкости опустится до верхней метки, начинают считать число капель n жидкости, вытекающей из трубки, до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет нижней метки. Если известны объем расширенной части сталагмометра между метками (V) и плотность жидкости (ρ), то вес кап­ли (Р) можно вычислить по формуле:

(1.28)

где g — ускорение свободного падения.

Подставив правую часть этого уравнения в выражение для расчета поверхностного натяжения (1.27), получаем:

(1.29)

В этом уравнении от природы жидкости зависят толь­ко ее плотность ρ и число капель п. Остальные величины определяются геометрическими параметрами самого ста­лагмометра (V, k, R) или являются константами (g, π). Поэтому удобно проводить относительное определение поверхностного натяжения, сравнивая истечение из дан­ного сталагмометра исследуемой жидкости и жидкости с известным поверхностным натяжением (σ_о):

(1.30)

где σ_о — поверхностное натяжение воды; ρ и ρ₀ — плотно­сти исследуемого раствора и воды соответственно (исполь­зуют справочные значения или измеряют с помощью арео­метра или пикнометра); для разбавленных растворов мож­но принять, что ρ = ρ₀.

Если стандартной жидкостью является вода, величину п₀ называют водяным числом сталагмометра.

Чем меньше поверхностное натяжение истекающей из сталагмометра жидкости, тем меньший объем имеет кап­ля, тем, следовательно, больше будет число капель п.

При измерении сталагмометром поверхностного натя­жения растворов коллоидных ПАВ, имеющих большие молекулы, необходимо увеличивать время образования капли. Так, если капля образуется быстро, на ее поверхности из-за медленной диффузии таких молекул не успе­вает установиться равновесное значение поверхностного натяжения. Для таких растворов измерения проводят при различных, все уменьшающихся скоростях истечения, пока число капель n не приобретет максимальное постоянное значение. Это значение и берут для расчета. Для увеличе­ния времени образования капли в простейшем случае ис­пользуют винтовой зажим, позволяющий уменьшать про­свет каучуковой трубки, надетой на верхний конец ста­лагмометра, тем самым уменьшая скорость истечения жидкости (достаточно вспомнить работу с пипеткой: ког­да верхний конец пипетки плотно закрыт пальцем, жид­кость из нее не вытекает).

Обычно придерживаются скорости истечения, обеспе­чивающей образование 1-3 капель в минуту.

При правильно выбранном времени образования ка­пель сталагмометрический метод дает достаточно точные значения поверхностного натяжения растворов ПАВ.

Приборы и реактивы. 1. Сталагмометр с резиновой грушей, штатив. 2. Стакан объемом 50 см³. 3. Мерные колбы на 50 см³ — 8 шт. 4. Мерная пипетка. 5. Исследуе­мые растворы ПАВ (по указанию преподавателя). 6. Дис­тиллированная вода. 7. Хромовая смесь.

Порядок выполнения работы. Перед началом работы сталагмометр тщательно промывают хромовой смесью, затем несколько раз ополаскивают дистиллированной во­дой, так как ничтожные следы жиров, которые являются поверхностно активными веществами, могут сильно иска­жать полученные результаты.

Сталагмометр закрепляют в штативе в вертикальном положении. Сначала опыт проводят с дистиллированной водой, для которой известно поверхностное натяжение σ₀ (табл. Приложения). Через резиновую трубку, надетую на верхний конец сталагмометра, грушей засасывают воду так, чтобы она стояла выше верхней метки (при этом в трубке не должно быть пузырьков воздуха). При вытекании воды из сталагмометра, когда мениск воды дойдет до верхней метки, начинают отсчет капель. Опыт повторяют 2 раза, подсчитывают среднее число капель п₀. Разница между отдельными отсчетами не должна превышать 1-2 капли.

Таблица 3

При работе с растворами ПАВ увеличивают время об­разования капли. Для этого с помощью винтового зажима уменьшают просвет резиновой трубки, надетой на верх­ний конец сталагмометра. Добиваются скорости истече­ния 1-3 капель в минуту. Измеряют число капель n ис­следуемого раствора, вычисляют поверхностное натяже­ние исследуемого раствора σ по формуле (1.30).

Результаты измерений и расчетов сводят в таблицу 3. Форма отчета. Отчет должен содержать название и цель работы, краткие теоретические положения, описа­ние хода работы, таблицу 2 или 3, в зависимости от вы­полняемого варианта работы, изотерму поверхностного натяжения (на миллиметровой бумаге), вывод по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое поверхностное натяжение, какова его размерность?

2. Каковы причины возникновения поверхностного натяжения?

3. Как зависит поверхностное натяжение от температуры?

4. В чем заключается метод максимального давления пузырька, изобразите схему установки. Какова расчетная формула?

5. В чем заключается сталагмометрический метод, по какой формуле ведут расчет поверхностного натяжения?

Работа 2.