Определение межфазного натяжения на границе двух несмешивающихся жидкостей

Цели работы. 1. Измерение поверхностного натяже­ния на границе СС1₄-Н₂0. 2. Проверка применимости пра­вила Антонова.

Краткие теоретические положения. Наличие над сло­ем первой жидкости слоя другой, не смешивающейся с ней жидкости приводит к понижению межфазного поверх­ностного натяжения, так как молекулы второй жидкости притягивают к себе молекулы первой и таким образом уменьшают действие нескомпенсированных сил на поверх­ности первой жидкости. Понижение межфазного поверх­ностного натяжения тем значительнее, чем меньше разли­чие в полярностях обеих жидкостей. Жидкости, близкие по полярности, смешиваются друг с другом во всех отно­шениях, и поэтому поверхностное натяжение между ними должно равняться нулю. Если жидкости ограниченно ра­створимы друг в друге, то межфазное поверхностное натяжение а можно оценить по правилу Антонова (1987):

σ = σ₁⁽²⁾ — σ₂⁽¹⁾ (1.33)

где σ₁⁽²⁾ — поверхностное натяжение насыщенного раствора второй жидкости в первой на границе с воздухом; σ₂⁽¹⁾ — поверхностное натяжение насыщенного раствора первой жидкости во второй на границе с воздухом.

В таблице 4 приведены данные, показывающие, на­сколько правило Антонова отвечает действительности, если одной из жидкостей является вода.

Для определения межфазного натяжения на поверхно­сти двух жидких слоев пригодны методы, применяемые для измерения поверхностного натяжения на границе жид­кость-газ (см. работу1), если вязкости не слишком высоки.

Таблица 4

Поверхностное натяжение на границе взаимно насыщенных жидкостей (жидкость-вода) и на границе этих жидкостей с воздухом (по И. И.Жукову)

Наиболее широко применяются: 1) метод максималь­ного давления в капле; 2) сталагмометрический метод.

Метод максимального давления в капле. Применение этого метода для измерения поверхностного натяжения на границе жидкость-газ подробно описано в работе 1. Здесь остановимся только на некоторых специфических особен­ностях использования его для границы жидкость-жидкость.

1. Так как поверхностное натяжение на границе двух жидкостей невелико, то для его измерения используют наклонный манометр, чувствительность которого в 1/sinα раз выше, чем вертикального (α — угол наклона маномет­рической трубки).

Рис 15.

Конструкции трубок с капиллярным кончиком

а — при условии, что ρ₁ > ρ₂; б — при условии, что ρ₁ < ρ₂; 1 — жидкость, из которой об­разуется капля, она набирает­ся в капиллярную трубку; h — высота столба жидкости в ка­пиллярной трубке, совпадаю­щая с уровнем жидкости в со­суде

2. Капля должна быть образована из жидкости, хуже смачивающей стекло, и в направлении, противополож­ном действию силы тяжести. В том случае, когда образую­щая каплю жидкость (жидкость в капиллярной трубке) имеет большую плотность ρ₁ чем плотность второй жидко­сти ρ₂, то используют капиллярный кончик, загнутый вверх (рис. 15а) Если же жидкость, образующая каплю, облада­ет меньшей плотностью, то капиллярный кончик имеет обычную форму (рис. 156).

Для случая «а» (ρ₁ > ρ₂) расчет поверхностного натя­жения ведут по формуле:

σ = R/2(P + hρ_lg - hρ₂g), (1.34)

где R — радиус капилляра; Р — показания манометра в момент отрыва капли от капиллярного кончика; g — ус­корение свободного падения.

Для случая «б» (ρ₁ < ρ₂) расчет поверхностного натяже­ния ведут по формуле:

σ=RP/2

(1.35)

Так как в капиллярной трубке и в верхнем слое сосуда находится одна и та же жидкость и гидростатические дав­ления столба жидкости в капиллярной трубке (hρ_lg) и в сосуде над концом капилляра (hρ_lg) одинаковы по вели­чине и противоположны по знаку.

Величину R находят по стандартной жидкости, обыч­но по воде, как это описано в работе 1.

Для случая «б» (ρ₁ < ρ₂) на границе раздела двух жид­костей межфазное поверхностное натяжение рассчитыва­ется по формуле:

σ = КР,

где К = σ₀/Р₀, а Р — показание манометра, при котором происходит отрыв капли от капиллярного кончика.

Сталагмометрический метод. Подробное описание это­го метода приводится в работе 1, здесь остановимся толь­ко на специфических особенностях применения его для определения поверхностного натяжения на границе двух несмешивающихся жидкостей.

1. В сталагмометр следует набирать ту жидкость, ко­торая лучше смачивает его поверхность (стекло)

2. Если набираемая в сталагмометр жидкость имеет меньшую плотность ρ₁, чем та, в которой образуется кап­ля ρ₂ , конец сталагмометра должен быть загнут вверх (рис. 16а).

Рис 16. а — при условии, что ρ₁ < ρ₂; б — при усло­вии, что ρ₁ > ρ₂

Если набираемая в сталагмометр жидкость имеет боль­шую плотность ρ₁ чем та, в которой образуется капля ρ₂, то используют сталагмометр той же конструкции, что и при измерении поверхностного натяжения на границе жидкость-газ (рис. 16б).

3. Время образования капли должно быть 20-30 секунд.

4.Межфазное натяжение рассчитывают по формуле:

(1.36)

где σ₀,n₀ , ρ_о — поверхностное натяжение, число капель и плотность стандартной жидкости; n — число капель, об­разующихся при истечении жидкости 1 в жидкость 2.

Приборы и реактивы. 1. Установка для измерения поверхностного натяжения. 2. Колбы на 100 см³ для при­готовления насыщенных растворов. 3. Мешалка. 4. Дели­тельная воронка. 5. Неполярные жидкости: толуол, четырехлористый углерод, гексан.

Порядок выполнения работы.

1. В колбу на 100 см³ заливают по 25 см³ Н₂0 и непо­лярной жидкости по указанию преподавателя.

2. Перемешивают с помощью мешалки в течение 1 часа.

3. Мешалку выключают, после полного расслаивания жидкостей их разделяют с помощью делительной воронки.

4. Измеряют поверхностные натяжения обоих взаимно насыщенных растворов на границе с воздухом (σ₁⁽²⁾ и σ₂⁽¹⁾) и поверхностное натяжение на границе раздела этих взаим­но насыщенных растворов, так называемое межфазное поверхностное натяжение о. Для измерения поверхностного натяжения используется метод максимального давления в крпле или сталагмометрический метод по указанию препо­давателя. Расчетные формулы для обоих методов указаны и теоретической части данной работы, образцы таблиц для записи экспериментальных данных в соответствии с ис­пользуемым методом приведены в работе 1.

1. Вычисляют межфазное натяжение по правилу Ан­тонова:

σ_выч= σ₁⁽²⁾- σ₂⁽¹⁾ (1.33)

где σ₁⁽²⁾ — поверхностное натяжение насыщенного раствора неполярной жидкости в воде на границе с воздухом, полу­ченное в результате эксперимента; σ₂⁽¹⁾ — поверхностное натяжение насыщенного раствора воды в неполярной жидкости на границе с воздухом, полученное в результате эксперимента.

2. Сравнивают σ_выч и σ_эксп и рассчитывают абсолют­ную и относительную погрешности.

3. Делают вывод о соблюдении правила Антонова. Форма отчета. Отчет должен содержать название лабо­раторной работы, описание цели работы, краткие теорети­ческие положения, порядок выполнения работы, таблицу с экспериментальными данными, расчет межфазного на­тяжения и вывод о применимости правила Антонова.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. С чем связано понижение межфазного поверхностного натя­жения?

2. Какое соотношение полярностей должны иметь жидкости, чтобы они: а) полностью смешивались; б) полностью не смешивались; в) ограниченно смешивались?

3. Как формулируется правило Антонова?

4. Какие методы широко применяются для измерения межфаз­ного натяжения?

5. Какие особенности можно отметить в применении сталагмометрического метода для измерения межфазного поверхност­ного натяжения?

6. Какие особенности можно отметить в применении метода максимального давления в капле для измерения межфазно­го поверхностного натяжения?

7.Как приготовить взаимно насыщенные растворы двух жид­костей

Работа 4.