Изучение зависимости поверхностного натяжения и адсорбции от концентрации раствора ПАВ методом Ребиндера (максимального давления пузырька).

В этом методе происходит выдувание пузырька воздуха из капилляра в смачивающую его жидкость, при этом давление, необходимое для отрыва пузырьков от кончика капилляра, прямо пропорционально поверхностному натяжению жидкости, удерживающему пузырек. По мере выдувания пузырька это давление возрастает, достигая своего максимального значения ΔP_m в тот момент, когда пузырек примет форму полусферы, т.е.когда радиус его кривизны R станет равным радиусу капилляра r. Это максимальное давление внутри пузырька ΔP_m прямо пропорционально поверхностному натяжению жидкости, и в этом случае применима формула Лапласа в виде:

(VII.38) ΔP_m = 2 σ / r.

( Строго говоря, в этой формуле должен присутствовать добавочный член, учитывающий гидростатическое давление столба жидкости, находящегося над пузырьком: h*ρ*g, где h – глубина погружения капилляра в жидкость. Именно для того, чтобы избавиться от него, при практических измерениях стараются сделать так, чтобы кончик капилляра не погружался в жидкость, а только касался её поверхности, тогда можно считать,

что h = 0).

Давление внутри пузырька ΔP_m обычно измеряют по разности уровней жидкости в водяном манометре, соединенном с капилляром. Эта разность складывается из суммы подъема и опускания уровня воды в разных коленах манометра от равновесного состояния, причем Δh_m = ΔP_m /(ρ*g), а формула (VII.38) может быть теперь записана, как: σ = (Δh_m*ρ*g)*r/2. Чтобы избежать трудностей, связанных с экспериментальным определением радиуса капилляра r, мы можем принять часть последней формулы за константу капилляра, обозначив её, как K_к = (ρ*g_*r)/2.

Для определения этой константыпроизводят измерения Δh⁰_m для стандартной жидкости с точно известной величиной поверхностного натяжения σ⁰ при данной температуре, после чего вычисляют константу капилляра по формуле:

(VII.41)

В качестве стандартной жидкости обычно используют дистиллированную воду, для которой величина σ₀ при 20⁰ С равна 72,75 мН/м. Определив константу капилляра К_к , проводят серию измерений растворов с неизвестными значениями поверхностного натяжения и вычисляют их по формуле:

(VII.41a)

Для выполнения этой работы в лаборатории удобно пользоваться специальным

прибором, разработанным академиком П.А.Ребиндером (рис. VII.22).

Исследуемую жидкость (1) наливают в термостатированный сосудик (2) с боковым отростком, в который опускают капилляр (3). Боковой отросток соединен с устройством для создания разрежения в сосудике

[аспиратором (4) – герметичным стеклянным цилиндром, разрежение воздуха в котором создается за счет вытекающей из него воды ], при этом происходит просасывание воздуха через кончик капилляра в жидкость с образованием пузырьков.

С системой соединен водяной манометр(5), позволяющий определять величины давления в пузырьке по разности уровней воды в обоих коленах манометра (Δh^X =h₁+h₂).

Перед началом работы тщательно промывают хромовой смесью, обычной водой, а затем дистиллированной водой измерительный капилляр, сосудик и все рабочие колбы. После этого наливают в сосудик 5 –10 мл дистиллированной воды, погружают туда капилляр так, чтобы он только касался поверхности жидкости, но не был погружен в нее. Сосуд помещают в термостат и соединяют с аспиратором, внимательно следя за тем, чтобы уровень воды в аспираторе находился между двумя метками, а в соединительных трубках не было даже капель воды. Скорость вытекания воды из аспиратора регулируют таким образом, чтобы число воздушных пузырьков, проходящих через капилляр, составляло 5 – 8 в минуту. Отсчет показаний манометра производят с помощью увеличительного стекла, фиксируя величину h⁰₁ и h⁰₂ для каждого колена отдельно, и используя в дальнейшем их сумму Δh⁰_m = h⁰₁+h⁰₂. Затем вычисляют константу капилляра К_к по формуле (VII.41), причем проделывают эти измерения не менее пяти раз. Результаты расчетов константы К_к проверяют у преподавателя. После этого приступают к приготовлению исследуемых растворов, которые готовят из исходного раствора ПАВ, полученного у преподавателя, последовательным разведением каждого предыдущего раствора дистиллированной водой в два раза.

В результате получается серия из шести растворов (исходная задача и пять разбавлений) с концентрациями (с₀ ; с₀/2; с₀/4;……… с₀/32). Дальнейшие измерения проводят таким же образом, как и при вычислении константы капилляра, начиная с самого разбавленного раствора и переходя от меньшей концентрации к большей. Рассчитанные по формуле (VII.41) значения σ_х проверяют у преподавателя по мере нахождения каждого. Закончив измерения серии растворов, получают у лаборанта данные об исследуемом ПАВ (исходная концентрация, молекулярная масса, плотность), после чегостроят график зависимости σ от с и заносятданные измерений в протокол работы аналогично приведенному ниже примеру:

Образец оформления протокола по лабораторной работе:

“Измерение поверхностного натяжения методом

наибольшего давления пузырьков”

Выполнил студент … группы … курса …………..факультета

Определение константы капилляра по воде (σ₀=72.75 мН/м при 25⁰С)

Среднее значение константы К_ср = 1.11 (мН/ м²) *10³

Исходные данные исследуемой жидкости:

M = 74.08 г/моль; ρ = 0.8 г/см³ ; C_исх = 1 моль/л

Формула (уравнения Гиббса) для расчета: Г= –