Способы определения поверхностного натяжения жидкостей

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 случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами.

Статические методы:

1. Метод поднятия в капилляре

Основан на определении высоты столба жидкости h в капилляре радиуса r при полном смачивании; поверхностное натяжение рассчитывают по формуле:

Высота подъема , где -разность плотностей жидкости и вытесняемого газа, r-радиус капилляра. Точность определения поверхностного натяжения растет с уменьшением отношения r/а (а-капиллярная постоянная жидкости).

При идеальном смачивании, т. е. когда краевой угол смачивания равен нулю справедливо уравнение:

= ghr/2,

- плотность жидкости;

g - ускорение свободного падения.

Недостатком этого метода является зависимость высоты подъема жидкости от характера смачивания стенок капилляра исследуемой жидкостью

2. Метод Вильгельми

Универсальный метод, особенно подходит для измерения поверхностного натяжения в течение длительного промежутка времени. Измеряется усилие, возникающее в процессе отрыва стеклянной пластины от поверхности жидкости

При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины

,

где G₀- вес сухой пластины

3. Метод лежачей капли

Метод основан на измерении формы капли, находящейся на несмачиваемой поверхности.

4. Метод определения по форме висячей капли.

Измеряется возможность проводить измерения при повышенной температуре и давлении. Оптическими методами анализируют геометрию капли.

5. Метод вращающейся капли

Сущностью метода является измерение диаметра капли жидкости, вращающейся в более тяжелой жидкости. Капля жидкости плотностью r1 помещается в трубку с более тяжелой (плотность r2) жидкостью. При вращении трубки с угловой скоростью w капля вытягивается вдоль оси, принимая приближенно форму цилиндра радиуса r. Расчетное ур-ние:

Этот способ измерения годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения.

Динамические методы:

1. Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).

Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.

Для отрыва проволочного кольца радиусом R от пов-сти жидкости требуется сила

2. Сталагмометрический, или метод счета капель.

Метод основан на определении объема капли, вытекающей из капилляра с известным радиусом

Рис.Схема простейшего сталагмометра На рис.показана схема простейшего сталагмометра, который представляет собой сферический пузырек В известного объема Vk, ограниченный метками b и d и соединенный с двумя калиброванными капиллярами, имеющими объем каждого деления vе. Сталагмометр заполняют жидкостью, затем позволяют мениску очень медленно перемещаться по капилляру, перекрывая частично доступ воздуха в капилляр А с помощью резиновой трубки и зажима таким образом, чтобы каждая капля образовывалась за время не менее 4 с. После падения первой капли проводится отсчет деления, соответствующего верхнему мениску a в капилляре А (n делений от метки a). Скорость последующего образование капель также контролируют и устанавливают время образования капли не менее 4–5 с. После достижения мениском метки, например e в нижнем капилляре C (m делений от метки d), определяют объем одной капли при числе подсчитанных вытекших из сталагмометра капель N:

(ур-ние Тейта),

где G-общий вес n капель, оторвавшихся под действием силы тяжести от среза капиллярной трубки радиусом r. Для повышения точности правую часть умножают на поправочный коэф., зависящий от г и объема капли.

К недостаткам сталагмометрического метода можно отнести возможность испарения жидкости с поверхности капель при их длительном образовании и необходимость введения поправочных коэффициентов для точного определения поверхностного натяжения.

При учете всех поправок погрешность сталагмометрического метода не превышает 1%.

3. Метод максимального давления пузырька (метод Ребиндера).

Оптимально подходит для измерения величины поверхностного натяжения в зависимости от возраста поверхности. Измеряется давление, которое необходимо приложить, чтобы пузырек пробульковал из капилляра в жидкость.

Расчет основан на ур-нии Лапласа. При выдавливании пузырька в жидкость через калиброванный капилляр радиусом г перед моментом отрыва давление

В этом случае определяется так называемое динамическое поверхностное натяжение, которое зависит от скорости пробулькавания пузырька.

4. Метод осциллирующей струи

5. Метод стоячих волн

6. Метод бегущих волн

При возмущении жидкости пластиной «лежащей» на её поверхности, по ней начинает распространяться цуг волн. Если просветить кювету с жидкостью импульсным источником света с частотой равной частоте возмущения, то на экран спроецируется «стоячая» волновая картина. Измеряя длину волны на экране и геометрически перерассчитывая её (зная расстояние от источника света до поверхности жидкости и расстояние от поверхности до экрана, а также про подобие треугольников) можно получить величину поверхностного натяжения по формуле:

,

где:

σ — поверхностное натяжение;

ρ — плотность жидкости;

λ — длина волны;

ν — вынуждающая частота;

g — ускорение свободного падения.