Способ измерения межфазного и поверхностного потенциала жидкостей и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01N27/52 

2. Устройство для осуществления способа по П.1, включающее измерительный и вспомогательный электроды, электрически соединенные между собой через потенциометр и нульинструмент, и электродинамический вибратор, питающийся от генератора синусоидального переменного напряжения низкой частоты, отличающееся тем, что в него .введен генератор капиллярных волн/ механически связанный с электродинамическим вибратором, а измерительный электрод установлен неподвижно и перпендикулярно направлению распространения капиллярных волн.

1. Способ измерения межфазного и поверхностного потенцисша жидцсостей путем компенсации скачка потенциала в злектрическо л конденсаторе с периодически меняющейся емкостью, образованном нэмернтельным злектродом и поверхностью исследуемой проводящей ЖИДКОСТИ, и контроля компенсации по отсутствию тока, отличающийся тем, что, с целью повьшеиия точности измерения, для периодического измерения емкости коиденс ора создаиот линейные капиллярные вол- Щ ны при отношении ширины электрода и длины волны А«:0,1-0,5. QD СО СО

1

Изобретение относится к исследованию физико-химических;межфазных и поверхностных свойств жидкостей, точнее к измерению электрических поверхностных и межфазных потенциалов.

ИзЬестен способ измерения поверхностного потенциала, основанного на измерении контактной разности потенцалов путем создания в цепи электрического. тока. Ток, создают ионизи pyя непроводящую фазу в пространстве между металлическим измерительным электродом и исследуемой проводящей фазой с помощью радиоактивного вещества С11..

Устройство для осуществления этог способа содержит измерительный электрод с радиоактивным изотопом и вспомогательный электрод, находящийся в проводящей фазе и соединенный с первым электродом через электрометр.

Недостаток этого способа и соответствующего ему устройства заключается в низкой точности измерения, что главным образом связано с изменениями скачка потенциала на границе измерительного электрода с окружающей фазой в процессе измерения, а та же с влиянием ионизации на величину измеряемого потенциала.

Наиболее .близким к изобретению ян ляется способ измерения межфазного и поверхностного потенциала жидкостей путем компенсации скачка потенциала в электрическом конденсаторе с периодически меняющейся емкостью, об разованном измерительным электродом и поверхностью исследуемой проводящей жидкости и контроля компенсации по отсутствию тока. Металлический электрод, находящийся в непроводящей фазе, приводят в колебательное движе ние перпендикулярно исследуемой границе раздела фаз. При этом емкость конденсатора, образованного металлическим электродом и исследуемой фазовой границей, периодически меняется, что приводит к возникновению-переменного тока, пропорционального скачку потенциала в непроводящей фазе. Компенсируя этот скачок потенци ша/ добиваются отсутствия тока в

цепи. Меняя одну из исследуемых жидкостей или ее свойства, определяют относительные изменения поверхностного или межфазного потенциала, равные по абсолютной величине изменениям контактного потенциалаГ2D.

Устройство для реализации этого способа содерхшт измерительный и вспомогательный электроды, электрически соединенные между собой через потенциометр и нуль-инструмент, электродинамический вибратор, питающийся от генератора синусоидального напряжения низкой частоты.

Однако конвективное движение в непроводящей фазе, возникакнцее в результате колебаний электрода, приво-дит к ускорению физико-химических процессов, дестабилизирующих поверхностный потенциал этого электрода, что существенно понижает точность измерений. Кроме того, этот способ и соответствующее ему устройство характеризуются трудно оцениваемыми деформациями исследуемой границы, возникающими из-за колебаний электрода и приводящими к сшибкам измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения межфазного и поверхностного потенциала жидкостей путем компенсации скачка потенциала в электрическом конденсаторе с периодически менякяцейся емкостью, образованном измерительным электродом и поверхностью исследуемой проводящей жидкости, и контроля компенсации по отсутствию тока, для периодического изменения емкости конденсатора создают линейные капиллярные волны при отношении ширины электрода и длины волны А 0,1-0,5.

Капиллярные волны представляют собой одну из форм волнового движения, их характеристики зависят от межфазных или поверхностных свойств жидкостей, однако последние определяют только соотнесение между частотой и длиной волны ( дисперсионное соотношение), т.е любая из этих величин может изменяться в соответствии

с требованиями проводимых измерений. Поскольку амплитуда волн мала и источник капиллярных волн располагается на расстоянии от измерительного электрода, то малая вынужденная кон.векция и деформация исследуемой.фазоврй границы практически не влияют на физико-химические свойства исследуемой- границы иповерхности элекрода.

В устройство для осуществления способа, включающее измерительный и вспомогательный электроды, электрически соединенные между собой через потенциометр и нуль-инструмент, электродинамический вибратор, питающийся от генератора синусоидального переменного напряжения низкойчастоты, дополнительно введен генератор капиллярных волн, механически связанный с электродинамическим вибратором, а измерительный электрод установлен неподвижно и перпендикулярно направлению распространения капиллярных волн.

Если отношение ширины электрода к длине волны больше 0,5, то емкость конденсатора практически не меняется и в измерительной цепи не возникает переменный ток. Если это отношение меньше Лпримерно 0,1, то емкость оказывается слишком малой генерации тока, достаточного для точной компенсации скачка потенциала в непроводящей фазе. . .

Генератором капиллярных волн может служить стеклянная пластина, рас положенная перпендикулярно исследуемой фазовой границе и прикрепленная с помощью твердого стержня к движущейся части механического вибратора или тонкий круглый стеклянный стержень, находящийся в плоскости исследуемой границы и прикрепленный к твердому стержню перпендикулярно его оси.

На фйг.1 представлена приМципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2генсратор капиллярных волн.

В проводящей фазе находится вспомогательный хлорсеребряный электрод В непроводящую фазу у исследуемой границы помещен измерительный электрод 2,.соединенный с потенциометром 3, вспомогательным электродом 1 и нуль-инструментом, состоящим из усилителя переменного тока 4 и осциллографа 5. Линейные капиллярные волны создаются перемещающимся генератором 6, выполненным в виде вертикальной пластинки и приводящимся в движение электродинамическим вибратором 7, подключенным к генератору переменного тока 8. Электрод 2 представляет собой прямоугольную медную пластину 2 X 20 мм, находящуюся на расстоянии 10-20 мм от генератора 6 и примерно 0,1 мм от исследуемой фазовой границы.

Генератор 9 капиллярных волн (фиг. 2) выполнен в виде стеклянного стержня диаметром 1 мм с отогнутыми концами, которые приклееяь) к более толстому стержню 10, связанному с подвижной частью электродинамического вибратора 7. Средняя прямая ;

часть стеклянного стержня находится в плоскости исследуемой фазовой границы.

Устройство работает следующим об разом.

С помощью генератора 6 или 9 создак тся линейные капиллярные волны с частотой 60 Гц и длиной волны 5 мм Генератор 6 или 9 волн ориентируется параллельно электроду 2, В цепи возникает переменный ток, регистрируй-. мый осциллографом 5. Потенциомет ром 3 компенсируется скачок потенциала в непроводящей фазе. В момент компенсации сигнал на осциллографе минимален.

П р и м е р. В измерительную кювету заливают 0,01 М раствор КС1 и над его поверхностью неподвижно устанавливают измерительный электрод Генератор капиллярных волн приводят в соприкосновение с поверхностью раствора КС1 и ориентируют его так, чтобы напрс1вление распространения капиллярных .волн было перпендикулярно измерительному электроду. Ксиотенсируют контактный потенциал потенциометром, определяя момент компенсации по минимуму тока в измерительной цепи . Компенсационные потенциалы для пяти измерений представлены.в первой строке таблицы ,V,). Затем в кювету заливают исследуег ый 1 аствор (о,01 М раствор изоамилового спиртд в 0,01 м КС1 ) и все приведенные операции повторяют. Результаты измерений представлены во второй строке . таблицы (Vj). Вычисляя разность, определяют поверхностный потенциал

. , (третья строка таб. лицы). В 0,01 М КС1, V MB 120,5 121,0 У2/ MB гептан/0,01 М КС1,ХмВ 237 243

Как следует из таблицы, воспроиз водимость результатов измерений поверхностного потенциала раствора изоамилЬвого спирта составляет i.0,6 MB Постоянное значение потенциала ур .танавливается также за более корот КИЙ срок (2-3 мин).

При опытной проверке производились также измерения контактного потенциала для межфазной границы гептан/0,01 М раствор КС1 (V). После того, как измерительная кювета заполнялась последовательно обеими исследуемыми жидкостями, воспроизводилась процедура измерений коктактного потенциала, описанная выше. Как следует из таблицы, воспроизводимость результатов измерений составляет i 5 мВ, при этом не было обнаружено влияния злектрокииетических явлений на измеряемый потенциал.

Для того, чтобы при распространении капиллярных волн емкость измерительного конденсатора периодически менялась и в цепи возникал электрический ток, необходимо, чтобы ширина злектрода не превосходила длины волны. В противном случае среднее расстояние между электродом и межфазной границей не меняется, емкость конденсатора оказывается постоянной и измерения потенциала невозможны.

Более того, при отношении ширины электрода к длине волны (А), меньшем, но близком к 1 амплитуда колебаний емкости конденсатора еще не достаточно велика, чтобы обеспечить высокую точность метйда. Как показывают результаты опытной проверки, . только при А примерно меньшем 0,5 возможны точные измерения. Таким образом, возникает максимальное значение величины А.

С Другой стороны, поскольку величина тока в цепи определяется емкостью измерительного конденсатора, соэПродолжение таблицы

дание положительного эффекта повышение точности измерений) связано с зтой емкостью, т.е. с помощью конденсатора и расстоянием между, электродом и межфазной границей. Оптимгитьная длина измерительного электрода и расстояние до межфазной границы естественным образом определяются -размерги ш кюветы и амплитудой колебаний межфазной границы. Следовательно, ширина электрода оказывается параметром, определяющим чувствительность метода измерений, и поэтому не может быть слишком малой. Поскольку длина механически возбуждаемых капиллярных во;1н меняется в достаточно узких пределах ( имеет порядок нескольких миллиметров, то отсюда вытекает минимальное значение А, которое приближенно можно оценить как 0,1.

Любое отклонение положения .электрода Ьт перпендикулярной ориентации приводит к уменьшению амплитуды колебаний емкости из-за уменьшения амплитуды колебаний Среднего (по длине электрода )расстояния между электродом и межфазной границей и, таким образом, к уменьшению чувствительности устройства. При неподвижном закреплении электрода уменьшается вынужденная конвекция и деформация исследуемой границы.и, таким образом, уменьшается влияние физикохимических процессов, дестабилизирую1ЦИХ поверхностный потенциал.

Предложенные способ и устройство позволяют проводить более точные измерения межфазного и поверхностного электрического потенциала по сравне- нию с известньши и могут найти применение при оценке чистоты поверхности жидкости, а также в лабораторных исследованиях растворов поверхностно-активных веществ, нерастворимых монослоев, модельных биологических систем. 122,2 121,7 122,0 245 250 234