( или метод Вильгельми)

В методе уравновешивания пластинки определяют силу F, необходимую для извлечения из жидкости погруженную в нее тонкую пластинку шириной h: F=2sh; s=F/(2h).

Метод капиллярного поднятия

Особыми свойствами обладает капиллярно-пористые тела, твердая дисперсионная среда которых пронизана порами капиллярных размеров. Если капилляры заполнены газом, то эти тела образуют систему Г/Т, а если жидкостью – Ж/Т. Иногда жидкостью заполняется только часть пор, т.е. образуются системы типа Г,Ж/Т.

К капиллярно пористым телам относятся древесина, ткани, бумага, кирпич, войлок, фетр и др. В зависимости от содержания влаги их можно рассматривать как дисперсные системы типа Г/Т, Ж/Т или Г,Ж/Т.

Одним из характерных поверхностных свойств капиллярно-пористых тел является подъем жидкости в порах. Капиллярный подъем самопроизвольный процесс, который связан с механическим перемещением жидкости относительно стенок капилляра.

В капилляре за счет смачивания образуется вогнутый мениск. На такой искривленной поверхности с радиусом кривизны r поверхностное натяжение s_ЖГ вызывает капиллярное давление ∆p. Давление кривизны поверхности можно представить в виде: ∆p=(2s _ЖГ/r)cosq, где q - краевой угол смачивания.

Капиллярное давление уравновешивается весом P_Н столба жидкости высотой h, т.е. ∆p=P_Н. С учетом веса столба жидкости можно записать: (2s_ЖГ/r)cosq=(r-r₀)gh, где r, r₀ – плотность жидкости и газа (воздуха).

В связи с тем, что r>r₀, плотностью газа можно пренебречь; тогда высоту подъема жидкости в капилляре определяют при помощи формулы: h=2s_ЖГcosq/(rrg).

При полном смачивании, когда q=0 и cosq=1, формула приобретает вид: h=2s_ЖГ/(rrg).

Капиллярный подъем жидкости имеет место в процессе пропитки и увлажнения структурированных капиллярно-пористых тел, он определяет влагосодержание почвы, питание растений.

На несмачивающейся поверхности, когда q>90^о, образуется выпуклый мениск, а капиллярное давление направлено в глубь жидкости, что обусловливает всасывание жидкости в капилляр.

В основе метода капиллярного поднятия лежит зависимость высоты поднятия жидкости h в узком капилляре от ее поверхностного натяжения. В соответствии с уравнением Лапласа избыточное давление связано с высотой h жидкости в капилляре соотношениями: Dp=2s/r_м и Dp=Dρgh

r_м – радиус кривизны мениска жидкости в капилляре;

Dρ – разность плотностей жидкости и газовой фазы;

g – ускорение свободного падения.

    Вводя так называемую капиллярную постоянную а: а²=2s/(Dρg)=r_мh и учитывая угол смачивания θ жидкостью стенок капилляра радиусом r получаем: s=Dρgrh/(2cosθ)=a²Dρg/(2cosθ). Это соотношение известно как уравнение Жюрена. Таким образом, для определения поверхностного натяжения жидкостей этим методом экспериментально находят высоту поднятия h, радиус капилляра и угол смачивания θ.

Перечисленные выше методы определения поверхностного натяжения доступны, но имеют один общий недостаток – низкую точность измерений. Более точным является метод капиллярного поднятия (относительная погрешность менее 0,01 %) в том случае, если капилляр хорошо смачивается водой, а его диаметр не изменяется по высоте, что в лабораторных условиях не всегда соблюдается. Причем чем меньше радиус капилляров, тем точнее результаты измерений поверхностного натяжения.

Кроме перечисленных доступных и широко используемых методов определения поверхностного натяжения существует и другие методы: сидячей капли, вращающейся капли и др.

Измерение поверхностной активности и адсорбции ПАВ позволяет определить параметры адсорбционных слоев: площадь, занимаемую одной молекулой, S₀ и толщину поверхностного слоя d. Величины S₀ и d рассчитывают по экспериментально найденным значениям предельной адсорбции Г_¥.

Предельную адсорбцию Г_¥ определяют по изотермам адсорбции Г=f(C), для построения которых вычисляют несколько значений ds/dC.

Площадь S₀, приходящуюся на одну молекулу в насыщенном адсорбционном слое, вычисляют по уравнению:

S₀=1/N_AГ_¥                            (10)

Толщину адсорбционных слоев (длину молекулы ПАВ) рассчитывают по формуле:

d=Г_¥М/r,                 (11)

где N_А- постоянная Авогадро, N_А=6,02×10²³ моль^-1; М- молярная масса ПАВ, кг/моль; r- плотность ПАВ, кг/м³.

Значения М и r для некоторых веществ приведены в таблице 1 (см. приложение).

Сопоставление вычисленных значений толщины слоя d с длиной ориентированных молекул дает возможность оценить тип поверхностной пленки, определить ориентацию молекул ПАВ в адсорбционном слое.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Из исходных растворов готовят по 5-6 разведений разных концентраций для каждого ПАВ путем последовательного разбавления вдвое, по 30 мл каждого раствора. Устанавливают постоянную Ребиндера или сталагмометра по воде. Измерения повторяют 3-5 раз.

Измеряют поверхностное натяжение приготовленных растворов ПАВ методом наибольшего давления в пузырьке или счета капель.

Сначала проводят всю серию измерений для низшего гомолога, затем, тщательно промыв сосуд и сталагмометр, для более высшего гомолога. Такой порядок позволяет избежать погрешности измерений за счет возможного остатка более поверхностно-активного гомолога. Измерения повторяют 3-5 раз.