Способ определения поверхностного натяжения жидкостей Советский патент 1992 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к области исследования поверхностных свойств, в частности к исследованию поверхностного натяжения жидкостей, и может быть использовано для изучения закономерностей адсорбции и прогнозирования свойств поверхностно-активных веществ и их композиций.

Известен способ определения поверхностного натяжения жидкостей, основанный на измерении высоты поднятия жидкости в капилляре,

Сущность способа заключается в том, что для жидкостей, полностью смачивающих стенки капилляра, на основании измерений высоты ее поднятия (Hi) в

калиброванном капилляре радиусом R0 определяют . величину VRo/Hi. однозначно связанную с величиной а2, определяемой из предварительно составленных таблиц, которая, в свою очередь связана с величиной поверхностного натяжения жидкости (о).

Недостатком этого способа является его непригодность для определения поверхностного натяжения жидкостей, характеризующихся краевым углом смачивания, величина которого существенно отлична от нуля.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения поверхностного натяжения жидкостей, основанный на измерении вы соХ|

СП

OJ

оэ с

00

ты капиллярного поднятия и определении поверхностного натяжения с учетом величины краевого угла смачивания.

Способ заключается в том, что определяют величину капиллярного поднятия (Hi) в калиброванном капилляре радиусом RO. рассчитывают величину vPЈ/Hi, а затем при заранее известной величине краевого угла смачивания по предварительно составленным таблицам определяют значение ве личины а2, однозначно связанной с поверхностным натяжением соотношением

dq R2,

„ ag up a -f -j.

где d d - dr dx,

йж - плотность жидкости;

dr - плотность газа; --... , .

g - ускорение своббдного падения.

Для реализации способа необходимо знать величину краевого угла смачивания стенок капилляра исследуемой жйдкотсти. Эта величина не может быть измерена непосредственно на стенке капилляра вследствие оптических эффектов, обусловленных кривизной его поверхности, и релаксации краевого угла смачивания. , ...;,, .

Цель изобретения - повышение точности, достоверности и экспрессности определения поверхностного натяжения жидкостей, характеризующихся отличным от нуля краевым углом смачивания и медленным установлением равновесного значения поверхностного натяжения, ;,-:

На чертеже приведена съема процесса капиллярного поднятия жидкости В цилиндрической капиллярной трубке радиуса Ro, опущенной в заполненный исследуемой жидкостью сосуд, радиусом значительно большим, чем R0.

Обозначения, принятые на чертеже;

Hi - высота капиллярного поднятия (превышение вершины мениска над плоской поверхностью жидкости в сосуде); ;: На-расстояние между линией трехфазного периметра смачивания и вершиной мениска;

Z и г-цилиндрические координаты;

А, В, С-реперныеточки, соответствующие отметкам линии трехфазного периметра основания, вершины мениска и уровня плоской-поверхности жидкости сосуде соответственно;

0-«раевой угол смачивания; ,

Способ определения поверхностного натяжения жидкостей заключается в измерении высоты капиллярного поднятия Hi и расстояния между линией трехфазного периметра смачивания и вершиной мениска Н2, определении капиллярной постоянной

а на оснований численного решений осно в ного уравнения капиллярности- v-(

,2 v, Yxx,Yxx

+

(f+YSy 5 (ХП+У2)

с граничными условиями Y(0) Yi: Yx(0) 0; Y(1)-Yi + Y2;

(1)

(2).

(3)

(4)

где

Y - ...

л - ; Ко

Yl-iii.

«о :

Ґ

5

5

0

5

0

5

dY : -

Yx .dx - ..;. ;....;

v d2Y dg o2 Vxx ,:

г и Z цилиндрические координаты межфазной поверхности; 0Ro - радиус капилляра;

d dx - dr d (d - плотность жидкости, dr - плотность газа),

g - ускорение свободного падения, наследующем расчете поверхностного на- 5 тяжения rib формуле

C7 R2o. ,...(5)

д а с ,

Сущность способа, в отличие от известного тех1нич ёского решения, в котором учет 0 влияния краевого угла смачивания на высоту капиллярного подйгятия основан на его изме- рении в Независимом эксперименте, состоит в том, что измерение дополнительного парамерра Н2 наряду с традиционно измеряемой величиной Hi дает возможность прямого численного расчета величины капиллярной постоянной а , однозначно связанной с величиной поверхностного натяжения жидкости а. ;

В основу такого расчета положена физическая взаимосвязь между параметрами, характеризующими процесс капиллярного поднятия, приведенными на чертеже.

Известно, что высота капилдярного поднятия Hi Определяется разностью гидростатических давлений над плоской поверхностью жидкости в сосуде 2 и над искривленной поверхностью жидкости в капилляре 1. В точке, соответствующей вер- шинё м;ениска, указанная разность давлений АР dgHi согласно уравнению Лапласа св1язана с поверхностным натяжением жидкости а и радиусом кривизны по- верхнбстй жидкости в вершине мениска R соотношением

2гт

ДР

тт.Величина R (не указано), недоступная для прямого экспериментального определе-.

кия, в свою очередь зависит от величины поверхностного натяжения стремящегося придать мениску форму сферической поверхности, и от величины гидростатического давления столбика жидкости высотой На, приводящего к сплющиванию мениска и зависящего от величины краевого угла смачивания 0 и плотности жидкости

Таким образом, величина Н2, которая может быть определена непосредственно в процессе наблюдения капиллярного поднятия, отражает влияние на высоту капиллярного поднятия краевого угла смачивания.

Расчет искомой величины поверхност- ного натяжения по экспериментально определяемым параметрам Hi и Н2 осуществляется на основании численного решения основного уравнения капиллярности (1) с граничными условиями (2) - (4) и формулы (5)/

Пример 50 мл бидистиллированной воды заливают в сосуд 2 Стеклянную цилиндрическую капиллярную трубку радиусом RO (0,1090 + 0 0005) см закрепляют в специальном держателе и опускают в исследуемый раствор. Сосуд с капилляром термо- статируют 25°С 40 мин После установления равновесной величины капиллярного поднятия, что контролируется с по- мощью катетометра путем периодического, с дискретностью 10 мин наблюдения за положением вершины мениска, начинают процесс измерения При этом снимают показания катетометра на трех уровнях- со- ответствующем линии трехфазного периметра смачивания NI (отметка А на чертеже), в вершине мениска N2 (отметка В) и на плоской границе жидкости с сосуде N3 (отметка С)

На основании измеренныхзначений NI, N2 и N3 рассчитывают значения величин капиллярного поднятия Hi N2 - N3. расстояния между линией трехфазного периметра смачивания и вершиной мениска На NI - N2 и безразмерные параметры Yi Hi/R0; Y2 H2/Ro, после чего путем численного решения дифференциального уравнечия (1) с граничными условиями (2) -(4) методом последовательных приближений определяют капиллярную постоянную а2 и по соотношению

a d|R2o

3

рассчитывают поверхностное натяжение.

Данные семи последовательных серий измерений и расчетов представлены в таблице

Как видно из табпицы а- (71 61 ± 0 02 дин/см: -0 03%

Величина поверхностного натяжения простой воды, определяемая при тех же /с ловиях по известному способу составляет (71,85 ±0,5) дин/см. Таким образом, в данномгслучае обоими методами определяются (в пределах по грешности эксперимента) согласующиеся друг с другом и с общепринятым для воды (71,96 дин/см)значения поверхностного на тяжения

Особым преимуществом предложенно го способа является достоверность опреде ления поверхностного натяжения указанного класса жидкостей Это обуслов лено тем, что все измеряемые величины определяются в одном и том же эксперименте т е в идентичных экспериментальных условиях При этом непосредственно в процессе измерений путем наблюдения за положением вершины мениска в поле зре ния катетометра осуществляется контроль за всеми релаксационными процессами в системе в том числе и за изменениями во времени краевого угла смачивания стенок капилляра исследуемой жидкостью что в принципе невозможно при использовании известного способа

Формула изобретения

Способ определения поверхностного натяжения жидкостей, включающий изме рение высоты капиллярного поднятия Hi жидкости в калиброванном капилляре радиусом RO и определение капиллярной посто янной отличающийся тем, что с целью повышения точности, достоверности и экс- прессности определения поверхностного натяжения жидкостей, характеризующихся отличным от нуля краевым углом смачивания и медленным установлением равновесного значения поверхностного натяжения дополнительно измеряют расстояние Н2 между линией трехфазного периметра смз чивания и вершиной мениска, капиллярную постоянную а определяют на основании численного решения основного уравнения капиллярности

,2 / YXX х

АА| ЛА

(1+Yx)% (XO+Y)1

ничными условиями Y(0) Yi, Yx(0) - 0; Y(1) Yi + Y2;

X Ј- ; Y Z

Ro Y,-{Jl.Ко

Ro

. P

Yxx

Y.-«LY.

Yx

.

-dx2

гиг- цилиндрические координаты межфазной поверхности: Ro - радиус капилляра,

рассчитывают поверхностное натяжение по формуле

п - d 9 R2

где d йж - dr dm.

dж - плотность жидкости

dr - плотность газа:

g - ускорение свободного падения.

Использование: изобретение относится к области исследования поверхностных свойств, в частности к исследованию поверхностного натяжения жидкостей, и может быть использовано для изучения закономерностей адсорбции и прогнозирования свойств поверхностно-активных веществ и их композиций, С целью повышения точности, достоверности и экспрессности определения поверхностного натяжения жидкостей, характеризующихся отличным от нуля краевым углом смачивания и медленным установлением равновесного значения поверхностного натяжения, измеряют высоту капиллярного поднятия, расстояние между линией трехфазного периметра смачивания и вершиной мениска, определяют капиллярную постоянную на основании численного решения основного уравнения капиллярности и рассчитывают поверхностное натяжение. 1 ил.. 1 табл. &