CC BY
6УДК 532.612.4
Хомушку А.О.
магистрант каф. физики.
Тувинский государственный университет (г. Кызыл, Россия)
МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
Аннотация: в статье подчеркивается, что межфазное натяжение, как и поверхностное - важная характеристика для определения устойчивости эмульсий, дисперсий, суспензий, и подобных дисперсных систем. При этом, современные технологии требуют постоянного увеличения числа новых материалов, а также подробного изучения процессов поверхностного натяжения жидкостей. Рассматриваются два экспериментальных метода определения поверхностного натяжения жидкостей: метод равновесной капли и метод отрыва кольца (Дю-Нуи).
Ключевые слова: поверхностное натяжение, метод равновесной капли, метод отрыва кольца, экспериментальное измерение.
Поскольку множество технологических процессов связано со спецификой растекания по твердым поверхностям каких-либо жидкостей, то практические приложения к исследованиям особенностей подобных капиллярных явлений, включая смачивание, также весьма разнообразны.
Само межфазное натяжение, как и поверхностное - важная характеристика для определения устойчивости эмульсий, дисперсий, суспензий, и подобных дисперсных систем.
Технологии не стоят на месте, постоянно растет спектр применения новых материалов, что требует подробного изучения указанных процессов, особенно связанных с вариативностью границ «жидкость-жидкость» и «жидкость-газ» [1,42], так как обычно поверхностное натяжение измеряется
массой капли, которая стремится к отрыву от края сталагмометра или же ее формой, если капля при этом находится на жидкой или твердой поверхности. Также поверхностное натяжение можно определять, ориентируясь на максимальное давление, требующееся для проталкивания пузырька газа в жидкость и методами стационарных и движущихся волн. В целом, подобных методов большое количество.
Необходимо отметить, что существуют особые условия соприкосновения поверхностного слоя жидкости с иной средой, в сравнении с оставшейся массой жидкости. Именно разное притяжение молекул поверхностного слоя, в отличие от молекул внутренних слоев газа и жидкости создает особые условия.
Полученные в результате исследований данные в современной науке обрабатываются, разумеется, с помощью компьютера и экспериментально моделируются, причем постоянно совершенствуются [2, с. 83].
Однако, на сегодняшний день мы можем констатировать сравнительное небольшое количество разработок простого и оперативного определения поверхностного натяжения жидкостей: часть из них «грешит» некоторой неточностью, а часть - отсутствием учета гистереза краевых углов смачивания
[3].
Все современные методы измерения поверхностного напряжения жидкостей делятся на статические, когда межфазная поверхность неподвижна, и динамические, когда эта поверхность находится в движении. Конечно, в случае использования динамических методов, аппаратурно их оформить очень сложно, не говоря уже о том, что, например для измерения Недостатком динамических методов является сложность их аппаратурного оформления. Кроме того, для надежного измерения поверхностного натяжения растворов, и, в частности, растворов поверхностно-активных веществ, требуется выдерживать их конкретное время для установления равновесия в поверхностном слое.
Полустатические или статические методы - наиболее распространенные в действующей экспериментальной практике, с помощью которых измеряются равновесные значения поверхностного натяжения жидкостей.
В настоящей работе приведены достаточно оперативные методы определения поверхностного натяжения жидкостей, включая полустатический.
В ходе исследования требуется применение экспериментальной установки (рис. 1), которая позволит отслеживать перемещение двух стеклянных пластин относительно друг друга с точностью до 0,01 мм. Профиль капли исследуются с помощью микроскопа, который позволяет делать фотографии и учитывает краевой профиль смачивания при этом.
Использование прибора Дю-Нуи позволит установить ККМ мицеллообразования, путем измерения ПН методом отрыва кольца, а также рассчитать поверхностную активность и адсорбции Гиббса.
Выбранные методы обладают рядом положительных моментов, в ряду которых, прежде всего, объем жидкости для первого эксперимента - не более 0,5, а при правильной настройке экспериментальной установки время, которое необходимо для получения серии из 10 опытов, составляет порядка 2 минут. За такое время у исследуемой жидкости несущественно изменяются ее физико-химические свойства, и поэтому при определении поверхностного натяжения этими изменениями можно пренебречь.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: С — стойка, ИМП — индикатор малых перемещений, П — стеклянная пластина, М — ШВ-микроскоп, К — компьютер.
Метод равновесной капли. При определении поверхностного натяжения методом равновесной капли наливали 0,2 мл жидкости между пластинами. Затем медленно поднимали верхнюю пластину, растягивая каплю до тех пор, пока верхняя и нижняя поверхности капли, соприкасающиеся с пластинами, не выравнивались и не принимали форму круга. После чего в этом состоянии измеряли расстояние между пластинами h и равновесный краевой угол смачивания ф.
В случае равновесия капли между пластинами выражение примет вид: pgh= Ка (1)
Проводя рассуждения, получим следующие уравнения поверхности равновесной капли жидкости, находящейся между пластинами: х= а(1^тф)^Ь, у= а фcosа/pgh (2),
Выражая из (2) поверхностное натяжение и заменяя у на ^ получим формулу расчета поверхностного натяжения для метода равновесной капли: а =pgh2/cosф (3),
Результаты эксперимента. Экспериментальные данные и рассчитанные по формулам (1) и (3) значения поверхностного натяжения для различных жидкостей приведены в таблице. Строки таблицы соответствуют экспериментальным данным, полученным в разные дни и при различных условиях.
В процессе проведения экспериментов фиксировались значения температуры и влажности воздуха. При этом пределы изменения температуры составили 16-27 °С, а пределы изменения влажности - 40-56 %. Из таблицы следует, что метод позволяют с хорошей точностью измерять поверхностное натяжение жидкостей. Если сравнивать экспериментально полученные значения поверхностного натяжения для дистиллированной воды, глицерина, спирта и трансформаторного масла ГК со значениями, приведенными в [4, с. 20- 22, 5, с. 5], то видим, что они практически не отличаются. Тем не менее, несмотря на хорошее совпадение результатов, следует отметить, что в некоторых экспериментах относительная погрешность достигала порядка 30%. В первую очередь, это связано с точностью определения угла ф, так как даже при тщательной настройке ^В-микроскопа разброс значений угла ф превышал 5 %.
Таблица 1. Экспериментальные данные определения поверхностного натяжения различных жидкостей методом равновесной капли.
Дистиллированная вода 0,20±0,01 2,60±0,01 20±3 1\±\2
0,20±0,01 2,50±0,01 30±6 71±15
0,20±0,01 2,50±0,01 28±8 70±20
Глицерин 0,20±0,01 2,20±0,01 20±6 б4±20
0,20±0,01 2,10±0,01 25±3 60±7
Спирт 0,20±0,01 1,50±0,01 43±6 24±4
Трансформаторное масло ГК 0,20±0,01 1,70±0,01 29±3 29±3
Кроме того, в ходе проведения экспериментов было замечено, что для капель, объем которых не превышал 0,1 мм, значение угла ф в момент разрыва капли было близко к п /2. Данное наблюдение связано с конструктивными
особенностями экспериментальной установки и характеристиками самой жидкости.
Метод отрыва кольца (Дю-Нуи). Это классический метод для определения поверхностного/межфазного натяжения, который основан на измерении максимального усилия для отрыва кольца с известной геометрией (длиной смачивания, L), сделанного из хорошо смачиваемого материала (угол смачивания = 0°). (рис. 2) [6].
Рис. 2. Схема взаимодействия платинового кольца с поверхностью жидкости при измерении поверхностного натяжения.
При подъёме кольца жидкость стремится стечь с него, что приводит к постепенному утончению плёнки жидкости и отрыву кольца.
Рис. 3. Схематическое изображения Дю-Нуи:
1 - упругая металлическая нить,
2 - коромысло с крючком,
3 - платиновое кольцо,
4 - винт для закручивания нити,
5 - указатель с нониусом,
6 - отсчетный лимб,
7 - винт, соединенный с упругой нитью,
8 - кювета с двойными стенками,
9 - подвижный столик,
10 - винт для движения столика.
Поверхностное натяжение водно-щелочных растворов измеряют методом отрыва кольца на приборе Дю-Нуи. Основная часть прибора - металлическая упругая нить 1, натянутая горизонтально. К нити прикреплено коромысло 2 с крючком, на который подвешивается кольцо 3. Отрывающее усилие создается закручиванием упругой нити с помощью винта 4. При вращении винта указатель 5, соединенный с закручиваемым концом нити, перемещается по отсчетному лимбу 6. Указатель имеет нониус, позволяющий определять десятые доли делений шкалы, нанесенный на лимбе [7].
Перед началом работы с помощью винта 4 для закручивания нити указатель 5 с нониусом устанавливают на нулевое деление отсчетного лимба и вращают винт 7, соединенный с упругой нитью до тех пор, пока коромысло с повешенным на нем кольцом не примет горизонтального положения. Исследуемый раствор наливают в кювету 8 с двойными стенками. Кювету помещают на подвижный столик 9, снабженный винтом 10 для перемещения его в вертикальном направлении. Столик поднимают до тех пор, пока кольцо не коснется поверхности раствора. Затем с помощью винта 4 начинают закручивать нить 1. Это надо делать медленно и осторожно, особенно перед отрывом кольца. Отмечают положение указателя на лимбе в момент отрыва кольца от поверхности жидкости.
Чтобы возвратить прибор в рабочее положение, с помощью винта 10 опускают столик 9. Вращают винт 4, раскручивают нить. Указатель 5 при этом возвращается к нулю, двигаясь в направлении, обратном направлению при отрывании кольца. Далее помещают кольцо на коромысло и повторяют определение [8].
Кювету перед работой хорошо промывают водой и, прежде всего, измеряют показания шкалы при отрыве кольца от дистиллированной воды.
Выводы. Предложенные методы позволяют достаточно точно и быстро определять поверхностное натяжение различных жидкостей при должной настройке экспериментальной установки. Главной особенностью данных методов является их простота реализации и то, что при проведении экспериментов не требуется большое количество жидкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Кононенко В.И., Семенищев А.М., Добряк В.А., Торокин В.В., Сон Л.Д., Конюкова А.В., Попель П.С., Мозговой А.Г. Автоматизированный метод
измерения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов // Перспективные материалы. - 2007. - № 2;
2. Речкалов В.Г., Ушаков В.Л., Пызин Г.П., Бескачко В.П. Компьютерная обработка изображения в методе определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости по форме поверхности капли // Вестник ЮжноУральского гос. ун-та. Серия: Математика. Механика. Физика. - 2010. - № 30 (206);
3. Пономарева М.А., Якутенок В.А. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания по изображению капли // Вестник ННГУ. - 2011. - № 4 (3);
4. Речкалов В.Г., Бескачко В.П. Моделирование экспериментов по измерению поверхностного натяжения по форме поверхности капли при наличии несовершенств в ее подвесе или опоре // Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Серия : Математика. Механика. Физика. - 2013. - № 1;
5. Волков В.И., Лескова С.С., Кирколуп Е.Р. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания с помощью плоского капилляра // Вестник уральской медицинской академической науки. - 2006. - № 2 (12);
6. Волков В.И., Лескова С.С., Кирколуп Е.Р. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания // Известия Алтайского гос. ун-та. - 2006. - № 1 (49);
7. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. - СПб., 2003;
8. Ионова И.В. Физико-химический анализ многокомпонентных углеводородных систем :автореф. дисс. ... канд. хим. наук. - Казань, 2006
Khomushku A.O.
Tuvan State University (Kyzyl, Russia)
METHODS OF EXPERIMENTAL DETERMINATION OF SURFACE TENSION OF LIQUIDS
Abstract: the article emphasizes that interfacial tension, as well as surface tension, is an important characteristic for determining the stability of emulsions, dispersions, suspensions, and similar dispersed systems. At the same time, modern technologies require a constant increase in the number of new materials, as well as a detailed study of the processes of surface tension of liquids. Two experimental methods for determining the surface tension of liquids are considered: the equilibrium drop method and the ring separation method (Du-Nui).
Keywords: surface tension, equilibrium drop method, ring separation method, experimental measurement.
