Явища та методи визначення поверхневого натягу

                                                 ,                                                          (1.8)

де r – радіус капіляра.

Підставивши цей вираз у формулу і виразивши h, отримаємо:

                                                                                                         (1.9)

Цей вираз відомий як формула Жюрена [3].

Через те що при змочуванні , то і (рідина піднімається); при незмочуванні , тоді i (рідина опускається). Якщо , то зміна рівня рідини не відбувається () [3,4].

Із практики відомо, що вода в скляній посудині дещо піднімається там, де вона торкається стінок. Говорять, що вода змочує скло. Ртуть, навпаки, не змочує скло; її поверхня біля стінок опускається. Змочується рідиною тверде тіло, чи ні, залежить від того, що сильніше: взаємодія між молекулами рідини (когезія) чи взаємодія між молекулами рідини, з одного боку, і молекулами твердого тіла - з другого (адгезія). Сили когезії утримують разом однакові молекули, а сили адгезії діють між молекулами різного роду речовин. Вода змочує скло тому, що молекули води сильніше притягуються молекулами скла, ніж молекулами самої води. Для ртуті спостерігається зворотне: когезія виявляється сильнішою адгезії [9].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ЗАЛЕЖНІСТЬ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ ВІД ДЕЯКИХ ФАКТОРІВ

 

Сила поверхневого натягу, незважаючи на збільшення поверхні, залишається сталою. Поверхневий шар рідини не має пружних властивостей [8,9].

Коефіцієнт поверхневого натягу σ залежить від фізичних властивостей контактуючих фаз, наявності і природи домішок, температури, товщини перехідних зон між фазами тощо [5].

Із підвищенням температури рідини збільшується середня відстань між її частинками, а отже, сили молекулярного притягання зменшуються. Це означає, що поверхневий натяг має залежати також від температури [10,11].

Поверхневий натяг твердих та рідких тіл залежить від температури (рис. 2.1). З підвищенням температури поверхневий натяг зменшується, оскільки послаблюється когезія – зчеплення одна до одної частин того самого твердого тіла або рідини при їхньому контакті. Як показав Д.І. Менделєєв, при достатньо низькій критичній температурі Ткр поверхневий натяг дорівнюватиме нулю. Залежність поверхневого натягу від абсолютної температури має вигляд:

                                        σТ = β (Ткр — Δ — Т) σ0,                                          (2.1)

де β — коефіцієнт пропорційності; Δ — поправка (6°); Ткр та Т — критична температура та температура досліду відповідно; σ0 — поверхневий натяг при початковій температурі; σТ — поверхневий натяг при температурі досліду [8,9].

Рис. 2.1 Залежність поверхневого натягу σ від температури Т

У водних системах розчинені речовини впливають на поверхневий натяг трьома різними способами. Органічні речовини, що розчиняються у воді звичайно монотонно знижують поверхневий натяг у міру збільшення концентрації завдяки переважної адсорбції органічних молекул на поверхні вода-повітря [12].

Поверхнево-активні речовини дуже сильно знижують поверхневий натяг вже при дуже низьких концентраціях аж до критичної концентрації міцелоутворення, після досягнення якої поверхневий натяг залишається практично постійним (рис. 2.2). Таке сильне зниження поверхневого натягу є наслідком адсорбції молекул ПАР на поверхні вода-повітря. При концентраціях вище KKM (критична концентрація міцелоутворення) все додатково введене ПАР витрачається на утворення нових міцел, що забезпечує збереження більш-менш постійної активності молекулярно розчиненого ПАР. Тому поверхневий натяг не змінюється зі збільшенням концентрації ПАР вище ККМ. Електроліти зазвичай збільшують поверхневий натяг розчину, оскільки поверхня збіднена іонами, тобто їх адсорбція на поверхні вода-повітря негативна [13].

 

Рис. 2.2 Як компоненти різної природи впливають на поверхневий натяг трьома різними способами

 

 

Поверхневі явища відіграють особливо помітну роль у випадку високодисперсного стану речовини, коли величина поверхні розділу фаз на одиницю маси досягає великих значень. У цих випадках незначна зміна σ може приводити до суттєвих змін фізичного стану дисперсних систем [13,14]

 Особливо помітний вплив  на величину σ спричиняють  навіть незначні концентрації  поверхнево-активних речовин, які  послаблюють поверхневий натяг  рідини. Найвідомішими поверхнево-активними речовинами для води є мило і пральні порошки. Вони сильно знижують її поверхневий натяг (приблизно з 7,5•10-2 до 4,5•10-2 Н/м). Це полегшує миття і прання білизни, оскільки високий поверхневий натяг чистої води не дає їй проникати між волокнами тканини і в дрібні пори. З молекулярної точки зору вплив поверхнево-активних речовин пояснюється тим, що сили притягання між молекулами самої рідини більші за сили притягання між молекулами рідини і домішок. Тому молекули рідини, розміщені у поверхневому шарі, з більшою силою втягуються всередину рідини, ніж молекули домішок. Внаслідок цього молекули рідини переходять з поверхневого шару в глиб її, а молекули поверхнево-активної речовини витісняються на поверхню [13].

Поверхнево-активними речовинами, що зменшують поверхневий натяг води, є також ефіри, спирти, нафта. Існують речовини (цукор, сіль), які збільшують поверхневий натяг рідини, внаслідок того, що їх молекули взаємодіють з молекулами рідини сильніше ніж молекули рідини між собою [15].

Якщо речовина підвищує поверхневий натяг розчинника, її називають поверхнево-неактивною (ПНАР). Графічна залежність σ = f (c) називається ізотермою поверхневого натягу (рис. 2.2). Для ПАР і ПНАР ізотерми σ = f (c) наведені на рис. 2.3 (криві 1 і 2 відповідно) [13,14].

 

Рис. 2. 3 Залежність поверхневого натягу σ від концентрації с розчиненої речовини

 

Для індиферентних речовин ізотерма представляє собою пряму, яка паралельна осі абсцис ( рис. 2.3, крива 3). З підвищенням концентрації розчинів ПАР зниження поверхневого натягу підпорядковується емпіричному рівнянню Шишковського, що виражає концентраційну залежність зниження поверхневого натягу (∆σ) водних розчинів ПАР, яке викликано їх адсорбцією на поверхні розділу розчин — повітря або розчин — органічна рідина:

                                         ∆σ =σ0 — σ = а ln (1 + bc),                                      (2.2)

де σ0 і σ — поверхневий натяг чистого розчинника (води) і розчину ПАР з концентрацією с відповідно, моль/л; а і b — емпіричні сталі [15].

Стала а має одне і те ж значення для різних речовин одного гомологічного ряду; стала b характеризує поверхневу активність ПАР та збільшується в ряді при переході від одного гомолога до наступного в 3,0–3,5 рази відповідно до правила Дюкло — Траубе [15].

За рівнянням Шишковського розраховують поверхневий натяг розчинів нижчих гомологів ПАР (спиртів, карбонових кислот, амінів, етерів тощо), в яких не відбувається міцелоутворення [13,15].

 

 

 

 

3. МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ

 

Методи вимірювання поверхневого натягу на рідких (рухливих) поверхнях поділу фаз умовно поділяють на три групи: 1) статичні (методи капілярного підняття і лежачої або висячої краплі); 2) напівстатичні (методи максимального тиску бульбашки (краплі), відриву кільця, відриву пластинки, зважування або рахування крапель); 3) динамічні (методи капілярних хвиль, струменів, що коливаються) [16].

Найбільш точні результати дають статичні методи, які базуються на вивченні нерухомих менісків рідини або профілю крапель і бульбашок. У цих випадках поверхня рідини знаходиться в рівновазі з її об’ємом і не змінюється під час вимірювань. Динамічні методи застосовують, коли передбачається швидке встановлення рівноваги між поверхневим шаром і об’ємом рідини [4,16].

Для визначення поверхневого натягу на межі рідина – рідина, рідина – газ або рідина – пара застосовують методи капілярного підняття, зважування або рахування крапель, максимального тиску бульбашок, відриву кільця і деякі інші методи. Для вимірювання поверхневого натягу твердих тіл використовують лише непрямі методи його визначення, наприклад метод розчинності, що грунтується на законі В. Томпсона, який пов’язує розчинність речовини з розміром її малих частинок і поверхневим натягом. Слід зазначити, що поверхневий натяг кристалів носить усереднений характер, оскільки залежно від щільності заповнення граней кристалу атомами або іонами інтенсивність дії молекулярних сил, яка відповідає різним граням кристалу, неоднакова, а отже їм відповідає різний поверхневий натяг [16].

 

3.1. Метод Ребіндера

 

          Метод Ребіндера застосовується дуже широко для вимірювання коефі-

цієнта поверхневого натягу α, він полягає у вимірюванні тиску, потрібного

для утворення бульбашки або краплі.

          Установка, що використовується в роботі (рис. 3.1.1), складається з напо-

вненого водою аспіратора , з'єднаного гумовими і скляними трубками з

манометром і повітряним простором закритої посудини, в нижню частину

якої налито досліджувану рідину. Через отвір у гумовому корку, який за-

криває посудину, проходить трубка 1 з капілярним наконечником. Досить

зручні капілярні наконечники виготовляють з товстого скла з піпеткоподіб-

ним розширенням перед капіляром [3].

Рис. 3.1.1 Схема прибору Ребіндера: 1 – капіляр, 2 – манометр, 3 – досліджувана речовина.

 

Коли з аспіратора при закритому відростку почне повільно витікати вода, це означатиме, що тиск у верхній частині посудини і в лівому коліні манометра зменшується. При певному розрідженні тиск р внаслідок дії атмосферного тиску р0 через капіляр у рідину продавлюється бульбашка повітря (різниця тисків Δр вимірюється манометром). Це відбувається тоді, коли різниця тисків Δр зрівноважується тиском, зумовленим силами поверхневого натягу досліджуваної рідини, які намагаються стиснути утворену бульбашку. Отже, у момент відриву бульбашки , де h – різниця висот рідини в колінах манометра; А – стала приладу, яка залежить від розмірів капілярного наконечника. Для її визначення потрібно провести дослід з рідиною, коефіцієнт поверхневого натягу якої відомий. Нехай при цьому , . Тоді 

                                                                                                             (3.1.1) 
        

 

3.2.  Метод капілярного  підняття

 

Метод вимірювання капілярного підняття заснований на визначенні різниці рівнів рідини в капілярі радіуса r і в широкій посудині. Рідина піднімається або опускається по капіляру до тих пір, поки висота меніска не досягне висоти, при якій маса стовпа рідини не зрівняє тиск всередині і зовні капіляра. Метод вимірювання капілярного підняття рідини є одним з більш точних і простих за апаратурним оформлення і застосовується там, де тривалість формування поверхні розділу фаз не обмежується [4,5].

 

Рис. 3.2.1 Метод вимірювання капілярного підняття рідини.

 

Пристрої, принцип дії яких заснований на методі вимірювання капілярного підняття рідини, складаються з основного елемента — широкої трубки 2 (рис. 3.2.1), верхній і нижній кінець якої сполучаються з каліброваним капіляром 1. Для точного визначення поверхневого натягу необхідно з максимальною точністю виміряти різницю рівнів рідини у вузькому і широкому капілярах, що становить відому трудність. Тому як один з можливих варіантів може бути використаний метод зрівнювання висоти стовпів рідини в капілярах за допомогою надлишкового тиску на меніск у вузькому капілярі. У даному випадку вимірюється той тиск, який необхідно надати, щоб рівень рідини в капілярі не перевищував рівня рідини в посудині, з яким капіляр сполучається [5].

 

3.3. Метод лежачої краплі

 

Одним із методів, які використовуються для визначення поверхневого натягу, є метод лежачої краплі. Даний метод полягає у формуванні краплі рідини на горизонтальній підкладці із однорідною змочуваністю або на верхньому торці вертикально встановленого товстостінного капіляра чи капіляра із загостреною кромкою (так званого ножового капіляра) та інтерпретації форми меридіанного перерізу утвореної краплі [5].

Згідно із другим законом Лапласа, поверхні рідини і твердого тіла стикаються під сталим кутом. Його визначають як границю кута міжнормалями до поверхонь твердого тіла і рідини при зближенні їх основ до лінії перетину рідкої і твердої поверхонь. Дається також визначення цього кута як границі двогранного кута між площинами, дотичними до поверхонь, що не змінює суті цієї величини [5].

 

3.4. Метод відриву кільця

 

Цей метод полягає у визначенні величини сили, потрібної для відриву кільця, що змочується даною рідиною, від поверхні рідини [16].

 

Рис. 3.4.1 Вимірування поверхневого натягу методом відриву кільця.

 

Під врівноважене на терезах деякою масою М кільце (рис. 3.4.1 (а)) обережно підводиться поверхня рідини так, щоб всі точки нижньої поверхні кільця дотикалися її одночасно. Після цього на чаїнку терезів додаються дрібні дробинки загальною масою т доки кільце не відірветься (рис. 3.4.1 (б)). Як відомо, сила поверхневого натягу визначається