Метод максимального давления в пузырьке

Метод максимального давления в пузырьке основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр.

При медленном продавливании пузырька из капилляра в жидкость в нем возникает избыточное внутреннее давление Р, которое согласно закону Лапласа определяется поверхностным натяжением s_ж-г и кривизной поверхности пузырька. Радиус кривизны

r _м изменяется по мере продавливания пузырька в жидкость. Со временем радиус кривизны уменьшается, пузырек становится все более выпуклым и при r _м = r избыточное давление внутри пузырька достигает максимального значения Р_мах. Это давление соответствует внешнему давлению в капилляре. Для дальнейшего увеличения размера пузырька не требуется повышение внешнего давления, поскольку с ростом пузырька внутреннее давление в нем в соответствии с уравнением Лапласа уменьшается. В результате воздух, находящийся в трубке, устремляется к сформировавшему пузырьку и приводит к его отрыву от капилляра. Таким образом, определение поверхностного натяжения рассматриваемым методом сводится к измерению внешнего давления, равного Р_мах

При определении поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке следует также учитывать гидростатическое давление слоя жидкости, находящейся над ним. Однако, если глубина погружения капилляра в жидкость незначительна и радиус rмал, поправкой на это давление можно пренебречь.

Максимальное давление в пузырьке в простейшем варианте можно измерить с помощью прибора Ребиндера. Прибор состоит из измерительной ячейки с капилляром, аспиратора, с помощью которого создают внешнее давление, и микроманометра

(рисунок 1).

1- жидкость; 2- капилляр; 3-ячейка;4-соединительная трубка; 5-аспиратор; 6-регулятор уровня монометрической жидкости; 7-трехходовой кран; 8-приемник

Рисунок 1 – Схема установки Ребиндера

Измерения Р_мах проводят следующим образом. Исследуемую жидкость наливают в ячейку до уровня, при котором кончик капилляра погружается в нее не более чем на 1 мм (избыток жидкости отбирают с помощью капилляра). Ячейку соединяют отводной трубкой с аспиратором и краном микроманометра.

Вращая регулятор уровня манометрической жидкости, устанавливают мениск в манометрической трубке против нулевой отметки. Кран поворачивают по часовой стрелке, соединяя микроманометр с системой разрежения, в результате чего манометрическая жидкость поднимается в трубке.

Сформировавшийся на конце капилляра пузырек воздуха при достижении Р_мах, пробивая поверхностный слой, лопается. В этот момент давление в системе снижается и манометрическая жидкость начинает опускаться, но затем в результате образования нового пузырька она снова поднимается. Таким образом, уровень манометрической жидкости все время колеблется. Чтобы уменьшить пульсацию жидкости в измерительной трубке, добиваются равномерного проскока пузырьков, с интервалом 20-30 с. Время образования и отрыва пузырьков воздуха регулируют путем изменения скорости вытекания воды из аспиратора. Если показания манометра Р_мах в течение 2-3 мин не изменяется, то его считают установившимся и записывают в журнал.

Чтобы исключить трудоемкую операцию по измерению радиуса капилляра, для определения поверхностного натяжения используют относительный метод. Для этого находят константу ячейки k, которую рассчитывают по значения максимального давления Р_ст и поверхностного натяжения s_ст для стандартных жидкостей (обычно дистиллированной воде) по формуле (1):

k = s_ст / Р_ст (1)

Определив коэффициент k и измерив давление Р_мах для исследуемой жидкости, рассчитывают значение поверхностного натяжения по формуле (2)

s_ж-г = k Р_мах (2)

Полученные результаты заносят в таблицу 1.

Измеряют поверхностное натяжение исследуемой жидкости при нескольких значениях температуры. Перед измерениями проводят термостатирование жидкостей при каждом значении температуры.

По данным измерений строят график зависимости s = f (Т) ипо тангенсу угла наклона полученной прямой находят значение температурного коэффициента ds/dТ. Для каждой температуры пол уравнениям 1 и 2 рассчитывают U_s и q_s и делают вывод о влиянии температуры на термодинамические параметры поверхностного слоя жидкости.

Таблица 1 – Экспериментальные и расчетные данные для вычисления полной поверхностной энергии жидкости

Темпера- тура, К	Измеряемый параметр для расчета, sж-г	Поверхностное натяжение sж-г , Дж/м2	Температурный коэффициент ds/dТ	Теплота образования единицы поверхности, Дж/м2	Полная поверхностная энергия, Дж/м2

Вопросы для самоподготовки

1. Признаки объектов коллоидной химии. Классификация объектов коллоидной химии Примеры дисперсных систем.

2. Мера гетерогенности и степени раздробленности дисперсных систем.

3. Параметры, характеризующие степень раздробленности и связь между ними.

4. Что такое поверхностное натяжение и в каких единицах оно измеряется?.

5. Как зависит поверхностное натяжение от природы вещества, образующего поверхность.

6. Методы, используемые для определения поверхностного натяжения жидкостей и твердых тел.

7. Как и почему зависит поверхностное натяжение тел от температуры.

8. Уравнение для расчета полной поверхностной энергии.