Учебно-методический комплекс дисциплины «Поверхностные явления и дисперсные систем»
Скачать 4.02 Mb.
|
Интернет-ресурсы
Сайт Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/colloid/welcome.pdf (Методические разработки к практикуму по коллоидной химии, изд. 7-е, 2011 г.). Единое окно доступа к образовательным ресурсам: http://window.edu.ru/library/resources?p_rubr=2.2.74.7.3 13. Шрамм, Г. Основы практической реологии и реометрии. A practical approach to rheology and rheometry: пер. с англ. И. А. Лавыгина, под ред. В. Г. Куличихина / Г. Шрамм. – М.: КолосС, 2003. – 312 с. (1 экз.) 14. Коллоидный журнал (http://elibrary.ru/title_about.asp?id=7853) МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) ШколА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ план ЛЕКЦИЙ по дисциплине «Поверхностные явления и дисперсные системы» 240802.65 "Основные процессы химических производств и химическая кибернетика" г. Владивосток 2012 А. Наименование обязательных вопросов, изучаемых на лекции (по программе) Б. Дополнительные вопросы (вне программы). Лекционные занятия (34 часа) Модуль 1. Поверхностные явления (12час.) Лекция 1. А. Основные понятия коллоидной химии, объекты и цели изучения. Дисперсность и удельная поверхность. Роль поверхностных явлений в процессах, протекающих в дисперсных системах. Классификация дисперсных систем. Поверхность раздела фаз. Свободная поверхностная энергия. Поверхностное натяжение, силовая и энергетическая трактовки. Б. Новые функциональные материалы (наносистемы, микроэмульсии, биоколлоиды, тонкие пленки и др.). Лекция 2. А. Уравнение Гиббса для поверхности раздела фаз. Изменение поверхностного натяжения жидкости на границе с собственным паром в зависимости от температуры. Поверхность раздела между двумя конденсированными фазами. Эффект Марангони. Б. Метод избыточных термодинамических функций поверхностного слоя (Гиббс). Лекция 3. А. Поверхностные явления и механические свойства твердых тел. Смачивание. Краевой угол. Закон Юнга. Работа когезии и адгезии. Избирательное смачивание, использование для характеристики поверхностей твердых тел (гидрофильности, гидрофобности). Полное смачивание. Разрушение и измельчение (диспергирование) твердых тел как физико-химический процесс образования новой поверхности. Эффект Ребиндера: изменение прочности и пластичности как следствие снижения поверхностной энергии твердых тел. Адсорбция. Адсорбция на поверхности раздела фаз. Адсорбция как самопроизвольное концентрирование на поверхности раздела фаз веществ, снижающих межфазовое натяжение. Поверхностно-активные и инактивные вещества. Термодинамика процесса адсорбции. Уравнение адсорбции Гиббса. Б. Теория Гриффитса, условие самопроизвольного распространения трещин. Повышение прочности при растворении поверхностного слоя кристаллов (эффект Иоффе). Эффект Ребиндера в природных и технологических процессах (примеры). Лекция 4. А. Уравнение Шишковского. Поверхностная активность, ее изменение в гомологических рядах ПАВ. Термодинамическое обоснование правила Траубе-Дюкло. Методы оценки поверхностной активности органических ПАВ. Работа адсорбции. Динамический характер адсорбционного равновесия на поверхности раздела раствор ПАВ - газ. Уравнение Лэнгмюра, его связь с уравнениями Гиббса, Шишковского и Фрумкина. Лекция 5. А. Строение монослоев растворимых ПАВ. Двухмерное состояние вещества в поверхностном слое, ориентация молекул в разреженных и в насыщенных слоях. Уравнение состояния монослоя ПАВ. Расчет размеров молекул ПАВ. Адсорбция ПАВ на поверхности раздела несмешивающихся жидкостей. Адсорбция ПАВ из растворов на поверхности твердых тел. Молекулярная адсорбция; правило уравнения полярностей Ребиндера. Модифицирующее действие ПАВ: гидрофилизация и гидрофобизация твердой поверхности; смазочное действие, влияние на граничное трение и флотацию и др. Лекция 6. А. Двойной электрический слой (ДЭС). Причины образования ДЭС. Термодинамическое равновесие поверхности раздела фаз с учетом электрической энергии. Модели строения ДЭС (теории Гельмгольца, Гуи-Чепмена, Штерна, Грэма). Изменение потенциала в зависимости от расстояния от поверхности для сильно и слабо заряженных поверхностей; влияние концентрации и заряда ионов электролита. Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы течения и оседания; теория Гельмгольца-Смолуховского. Электрокинетический потенциал; граница скольжения. Б. Практические приложения электрокинетических явлений. Лекция 7. А. Строение мицеллы гидрофобного золя. Влияние концентрации и природы электролита на величину и знак заряда коллоидных частиц. Основы ионного обмена. Лиотропные ряды. Изоэлектрическое состояние в дисперсных системах; методы определения изоэлектрической точки. Б. Электроповерхностные явления: капиллярный осмос, диффузиофорез. Модуль 2. Свойства дисперсных систем (12 час.) Лекция 8. А. Лиофобные системы. Диспергационные методы получения дисперсных систем (золей, эмульсий, пен, аэрозолей). Роль ПАВ в процессах получения дисперсных систем. Связь работы диспергирования с поверхностной энергией твердых тел. Использование эффекта Ребиндера для уменьшения работы диспергирования. Процессы диспергирования в природе и технике. Конденсационные способы получения дисперсных систем. Химические реакции получения неорганических и органических коллоидов (примеры). Методы регулирования размеров частиц в дисперсных системах. Термодинамика образования лиофильных коллоидных систем; критерий самопроизвольного диспергирования (критерий Ребиндера-Щукина). Б. Термодинамика гомогенного и гетерогенного образования коллоидных частиц при фазовых переходах 1-го рода (теория Гиббса-Фольмера). Работа образования зародышей новой фазы. Образование частиц дисперсной фазы в процессах кристаллизации из растворов, конденсации пересыщенного пара, кипения. Лекция 9. А. Седиментационная устойчивость. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Диффузия в коллоидных системах. Закон Эйнштейна. Применение ультроцентрифуг для измерения массы ультрадисперсных частиц и макромолекул (Думанский, Сведберг). Седиментационно-диффузионное равновесие. Метод Перрена определения числа Авогадро. Агрегативная устойчивость. Теория устойчивости гидрофобных золей (теория ДЛФО). Зависимость энергии взаимодействия плоских поверхностей от расстояния между ними. Учет молекулярной природы контактирующих фаз, константа Гамакера. Зависимость энергии взаимодействия частиц дисперсной фазы от расстояния между ними. Основные факторы, влияющие на агрегативную устойчивость дисперсных систем. Расклинивающее давление (теория Дерягина); основные составляющие. Эффект Марангони-Гиббса; причины возникновения. Защитные коллоиды. Б. Модуль упругости тонких пленок (определение). Структурно-механический барьер (теория Ребиндера). Реологические свойства адсорбционных слоев ПАВ - стабилизаторов коллоидов коллоидных систем. Лекция 10. А. Основные методы очистки коллоидных растворов (диализ, ультрафильтрация). Методы измерения размеров коллоидных частиц. Закон светорассеяния Рэлея. Методы стабилизации и разрушения золей. Практическое применение золей (примеры). Коагуляция золей электролитами. Порог коагуляции; зависимость критической концентрации электролита от размера и заряда коагулирующего иона (правило Шульце-Гарди). Антагонизм и синергизм в действии электролитов на процесс коагуляции. Коагуляция сильно и слабо заряженных золей (концентрационная и нейтрализационная коагуляция). Обоснование правила Шульце Гарди и критерия Эйлерса-Корфа в теории ДЛФО. Флокуляция, гетерокоагуляция, адагуляция (определения, примеры). Лекция 11. А. Кинетика коагуляции. Теория быстрой коагуляции (Смолуховский); основные положения теории медленной коагуляции (Н.Фукс). Обратимость процесса коагуляции. Пептизация. Основы физико-химической механики. Закономерности течения свободно-дисперсных систем под действием приложенного давления. Закон Ньютона. Влияние концентрации и формы частиц дисперсной фазы на закономерности течения (закон Эйнштейна). Коагуляционные структуры. Условия образования, механические свойства; явление тиксотропии. Кристаллизационные структуры. Механические свойства кристаллизационных структур. Описание дисперсных систем на основе реологических моделей (Максвелла, Кельвина, Бингама, Шведова). Полная реологическая кривая. Физико-химические методы регулирования структурно-механических свойств дисперсных систем на различных стадиях их формирования как основная задача физико-химической механики. Б. Черные пленки. Использование пен для моделирования физико-химических процессов (зарождение и перемещение дислокаций и др.). Модуль 3. Виды дисперсных систем (10 час.) Лекция 12. А. Коллоидные растворы (золи). Классификация. Гидрозоли и органозоли. Коллоидно-химические свойства ВМС. Лекция 13. А. Эмульсии и пены. Эмульсии. Классификация, определение степени дисперсности. Эмульгаторы, принципы выбора ПАВ для стабилизации прямых и обратных эмульсий. Роль гидрофильно-липофильного баланса молекулы ПАВ в стабилизации эмульсий. Эмульсионные пленки; их строение и факторы, влияющие на устойчивость эмульсионных пленок. Обращение фаз. Твердые эмульгаторы. Методы разрушения эмульсий. Практическое применение эмульсий. Пены. Строение пен и их классификация. Кратность пен. Пенообразователи, эффективность их влияния и связь с гидрофильно-липофильным балансом используемых ПАВ. Влияние электролитов на пенообразующую способность ПАВ. Пенные пленки, строение, факторы устойчивости. Б. Микроэмульсии; строение микрокапель, условия образования, фазовая диаграмма. Лекция 14. А. Аэрозоли. Классификация. Методы измерения размеров аэрозольных частиц. Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей (высоко- и грубодисперсных). Электрические свойства аэрозолей, причины возникновения заряда на поверхности частиц. Агрегативная устойчивость аэрозолей. Практическое использование аэрозолей (примеры). Роль аэрозолей в загрязнении окружающей среды. Лекция 15. А. Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Классификация ПАВ по молекулярному строению (анион- и катионактивные, неионогенные, амфолитные); области применения ПАВ. Высокомолекулярные ПАВ (примеры, отличия от низкомолекулярных ПАВ). Проблема биоразлагаемости ПАВ. Классификация ПАВ по механизму их действия (смачиватели, диспергаторы, стабилизаторы, моющие вещества). Лекция 16. А. Понятие о гидрофильно-липофильном балансе (ГЛБ) молекул ПАВ. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ. Мицеллообразование в растворах ПАВ. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), основные методы определения ККМ. Лекция 17. А. Эмпирические закономерности изменения ККМ и минимального значения поверхностного натяжения границы раздела раствор - ПАВ - воздух в гомологических рядах ПАВ. Строение прямых и обратных мицелл при различных концентрациях ПАВ. Солюбилизация (коллоидное растворение органических веществ в прямых мицеллах). Относительная солюбилизация, зависимость от температуры и концентрации. Солюбилизация в неводных средах. Б. Практические приложения мицеллярных систем и микроэмульсий (в химии, нефтедобыче, биологии). Лекция 18. А. Структурообразование в дисперсных системах. Периодические структуры. Образование и свойства гелей.  МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) Школа естественных наук ДВФУ Материалы для практических занятий по дисциплине «Поверхностные явления и дисперсные системы» 240802.65 "Основные процессы химических производств и химическая кибернетика" г. Владивосток 2012 Содержание Практические занятия (17 ч)
Лабораторная работа № 1 АДСОРБЦИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ЖИДКОСТЬ – ГАЗ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Измерение поверхностного (межфазного) натяжения; определение зависимости поверхностного натяжения от концентрации поверхностно-активного вещества. ЗАДАЧИ РАБОТЫ
ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ПОЯСНЕНИЕ
Поверхностный слой жидкости по физико-химическим свойствам отличается от ее внутренних слоев. На каждую молекулу внутри жидкости равномерно действуют силы притяжения со стороны окружающих молекул, равнодействующая всех сил притяжения равна нулю. Для молекулы, расположенной в поверхностном слое жидкости, граничащем с другой фазой, например с воздухом, содержащем насыщенный пар этой жидкости, условия иные, чем в объеме. Силы притяжения, направленные в сторону воздуха, во много раз меньше сил притяжения, действующих в направлении жидкости. В результате этого равнодействующие молекулярных сил уже не равны нулю и направлены вниз. Поверхностные молекулы жидкости находятся под действием сил, стремящихся втянуть их внутрь жидкости. По этой причине поверхность любой жидкости стремится к сокращению. Наличие у поверхностных молекул жидкости ненасыщенных, неиспользованных сил сцепления является источником избыточной поверхностной энергии, которая тоже стремится к уменьшению. На поверхности жидкости образуется как бы пленка, которая обладает поверхностным натяжением. Для того чтобы увеличить поверхность жидкости, необходимо преодолеть силы ее поверхностного натяжения, т. е. затратить некоторое количество работы. Работа, необходимая для увеличения поверхности жидкости на 1 м2, служит мерой поверхностной энергии и называется поверхностным натяжением . Поверхностное натяжение можно рассматривать не только как работу, отнесенную к единице поверхности, но и как силу, которая действует на единицу длины (1 м) линии, ограничивающей поверхность жидкости, и направлена в сторону сокращения поверхности. В зависимости от этого или другого определения поверхностное натяжение измеряется или в Дж/м2, или Н/м. Для чистых жидкостей поверхностное натяжение зависит от природы жидкости, т. е. от характера межмолекулярного взаимодействия в ней, температуры. Характер межмолекулярного взаимодействия определяется составом, строением и поляризуемостью молекул. С увеличением дипольного момента и поляризуемости молекул поверхностное натяжение вещества увеличивается. Поверхностное натяжение связано обратной зависимостью с температурой. С повышением температуры поверхностное натяжение уменьщается и при критической температуре становится равным нулю.
Поверхностное натяжение растворов обычно отличается от поверхностного натяжения растворителя. При растворении какого-либо вещества в растворителе возможно следующее (рис. 1):
σ0 σ С 1 2 3 Рис. 1. Зависимости поверхностного натяжения от концентрации. 1 – поверхностно-инактивные вещества (ПИВ), 2 – поверхностно-неактивные вещества (ПНВ), 3 – поверхностно-активные вещества (ПАВ). Поскольку поверхностная энергия в силу второго закона начала термодинамики стремится к минимуму, то в случае, когда растворенное вещество понижает поверхностное натяжение растворителя, концентрация этого вещества в поверхностном слое должна быть больше, чем в объеме раствора. И наоборот, когда растворенное вещество повышает поверхностное натяжение, поверхностный слой должен содержать меньше растворенного вещества, чем весь объем раствора. Таким образом, на границе раздела жидкость-газ наблюдается явление увеличения или уменьшения концентрации растворенного вещества. Самопроизвольное изменение концентрации вещества в поверхностном слое, отнесенное к единице поверхности, называется адсорбцией, обозначается через Г и выражается в моль/м2 или моль/кг. Если Г>0, адсорбцию называют положительной (растворенного вещества в поверхностном слое больше, чем в объеме), если Г<0 – отрицательной (растворенного вещества в поверхностном слое меньше, чем в объеме). Если растворенное вещество не изменяет поверхностного натяжения, то Г=0, и вещество равномерно распределяется между поверхностным слоем и объемом раствора. Все растворимые вещества по их способности адсорбироваться на границе раздела жидкость-газ делятся на две группы: поверхностно-активные (ПАВ) и поверхностно-инактивные вещества (ПИВ). ПАВ должны обладать меньшим поверхностным натяжением, чем растворитель, сравнительно малой растворимостью, а также способностью резко изменять свойства поверхности жидкости в результате образования тонких мономолекулярных адсорбционных слоев. К поверхностно-активным веществам относятся органические вещества, молекулы которых состоят из участков с резко различными свойствами. Одна часть молекул – полярная группа, другая – неполярная часть, состоящая из углеводородного радикала. К полярным группам относятся: -ОН, -СООН, -NH2, -SO2H и др. Полярные группы хорошо гидратируются, они и определяют сродство ПАВ к воде. Углеводородный радикал гидрофобен, т. е. понижает растворимость ПАВ в воде. При взаимодействии ПАВ с водой молекулы их погружаются в воду своими гидрофильными (полярными) группами, гидрофобная же углеводородная цепь располагается выше уровня воды. Выталкивающее действие воды на гидрофобную часть молекул ПАВ способствует накоплению их в поверхностном слое жидкости, т. е. их положительной адсорбции. Поверхностно-инактивные вещества обладают следующими характерными особенностями: большим по сравнению с растворителем поверхностным натяжением и более высокой растворимостью. К таким веществам относятся все неорганические электролиты: кислоты, щелочи, соли, а также некоторые органические соединения, например муравьиная НСООН и аминоуксусная Н2NCH2COOH кислоты. Адсорбция поверхностно-инактивных веществ отрицательная. Математическая зависимость между поверхностным натяжением (Н/м), концентрацией растворенного вещества С (моль/м3) и адсорбцией Г (моль/м2) была установлена Гиббсом и выражается следующей формулой:  (1)d/dC – изменение поверхностного натяжения раствора с изменением концентрации; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура. Из уравнения Гиббса видно, что адсорбция положительна, если d/dC<0, т. е. когда при повышении концентрации поверхностное натяжение понижается. Если d/dC>0, то концентрация растворенного вещества в поверхностном слое будет меньше, чем в объеме раствора: Г<0. Когда d/dC=0, то Г=0, т.е. адсорбции нет. Величина d/dC является мерой способности вещества понижать поверхностную энергию; она называется поверхностной активностью. Поверхностную активность определяют, измеряя поверхностное натяжение для разных концентраций растворов ПАВ при постоянной температуре. Строят изотерму поверхностного натяжения в виде кривой =f(C) (рис.2, кривая 1). Используя уравнение Гиббса, получают зависимость Г от концент рации раствора при постоянной температу ре, т. е. изотерму адсорбции Г=f(С) (рис. 2, кривая 2). С' σ, Г С 2 1 Г∞ ∆σ σ σ0 Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения (1) и адсорбции (2) от концентрации ПАВ. Значение d/dC и С в уравнении (1) находят с помощью изотермы поверхностного натяжения (рис. 2, кривая 1); в приближенных расчетах d/dC заменяют величиной /C:  (2)тогда:  (3)На основе графиков изотермы поверхностного натяжения и уравнения Гиббса вычисляют удельную адсорбцию Г двумя способами: 1 способ: а) Находят значения для растворов 4-5 концентраций, где 2 – поверхностное натяжение раствора, 1 – поверхностное натяжение воды; С2 – концентрация раствора, С1=0 (т.е. все расчеты проводят относительно воды). Подставляют найденные значения в уравнение 3, в котором  (4)б) Находят значения /C для растворов 4-5 концентраций, как показано на рис. 3а. Для этого на начальном, наиболее крутом участке изотермы через равные интервалы концентраций берут ряд значений С1, С2, С3 и находят соответствующие значения 1, 2, 3 Рассчитывают разности 1=2-1, 2=3-2 и С1=С2-С1, С2=С3-С2. Подставляют их в уравнение (3). 1 2 3 σ3 σ2 σ1 σ σ0 С С1 С2 С3 а 0 Z σ σ0 С С б 0 Рис.3. Графические методы определения величины d/dC: а) - первый способ; б) - второй способ. 2 способ: Из 5-6 произвольных точек на начальном участке изотермы поверхностного натяжения проводят касательные и горизонтальные линии до пересечения с осью ординат рис. 3б. Отрезки оси ординат, ограниченные горизонтальными линиями, касательными и обозначаемые Z, имеют следующее математическое выражение: Z= -С(d/dC). Величину Z измеряют в единицах поверхностного натяжения. При подстановке Z в уравнение Гиббса получают: Г=Z/RT (5) Определив числовые значения отрезков Z для каждой из взятых на кривой точек, находят величину Г для соответствующих этим точкам концентраций. Строят график изотермы адсорбции ПАВ (рис.2, кривая 2). Кривая изотермы адсорбции показывает, что накопление избытка ПАВ на границе жидкость-газ стремится к некоторому пределу Г. Адсорбционный слой достигает насыщения. Изотерма адсорбции описывается уравнением Ленгмюра. При малой концентрации молекулы ПАВ на поверхности располагаются плашмя к поверхности (рис. 4а), что отвечает большей энергии взаимодействия с водой. При большей концентрации в результате отталкивания углеводородные части молекул ПАВ поднимаются вверх (рис. 4б). При полном заполнении мономолекулярного слоя молекулы образуют более плотную упаковку. При этом полярные группы обращены к воде, а неполярные углеводородные радикалы располагаются вертикально к поверхности, образуя так называемый «частокол Ленгмюра» (рис. 4в). б в а вода газ Рис. 4. Расположение адсорбируемых молекул в ненасыщенном поверхностном слое (а и б) и в насыщенном (в); кружком обозначена гидрофильная часть молекул, линией гидрофобная углеводородная часть. Каждая молекула занимает минимальную площадь на поверхности. Такое состояние адсорбционного слоя отвечает предельной адсорбции Г. Уравнение Ленгмюра имеет вид:  (6) где Г - предельная адсорбция, (моль/м2); в - константа равновесия, равная отношению констант скоростей процессов адсорбции и десорбции. Для того чтобы найти константы уравнения Ленгмюра, последнее преобразуют путем деления единицы на обе его части:  Если обозначить  и  , то получаем уравнение прямой: (7)При значительном разбросе точек затрудняется выбор правильного наклона прямой. От этого будет зависеть точность определения величин а и d. В таких случаях применяют метод наименьших квадратов, который позволяет проверить линейность зависимости у=f(x), где у=1/Г, а х=1/С. Вычисленные таким путем величины а и d наиболее близки к их истинным значениям. Предельную адсорбцию находят из равенства: Г=1/а (8) Адсорбционную константу в уравнения Ленгмюра определяют графически следующим образом. На графике 1/Г=f(1/С) вверх от точки пересечения прямой с осью ординат откладывают отрезок, равный а (рис.5). Через полученную точку А проводят горизонтальную линию до пересечения с прямой зависимости 1/Г=f(1/С). Из полученной точки Д опускают перпендикуляр на ось абсцисс (точка Д). Отрезок ОД представляет собой величину, равную в. По величине отрезка ОД, выраженной в единицах 1/С, находят численное значение константы: в=ОД (9) Размерность в обратная размерности концентрации. Численно константа в равна величине, обратной концентрации, при которой достигается 1/2 предельной адсорбции. 1/Г 1/С Д' а О Д А А' Рис.5. График 1/Г – 1/С. Как следствие из теории Ленгмюра принимается, что при достижении предела адсорбции на границе раздела раствор-газ образуется насыщенный монослой из молекул ПАВ, ориентированных перпендикулярно к поверхности водной фазы и плотно прижатых друг к другу. На этом основано вычисление размеров молекул ПАВ. Зная величину Г, находят площадь (м2) поперечного сечения полярной группы (S0) и длину (м) молекулы ПАВ: S0=1/(ГNa) (10) =(ГМ)/ (11) где Na- постоянная Авогадро, Na = 6,021023 моль-1; М – молекулярная масса ПАВ, кг/моль; - плотность ПАВ, кг/м3. Значения М и для некоторых веществ приведены в таблице 1 (см. приложение). Методы определения поверхностного натяжения На практике наиболее часто используют статические или полустатические методы, позволяющие измерять равновесные значения поверхностного натяжения жидкостей. К статическим относятся методы капиллярного поднятия жидкости и висячей (лежащей) капли. Полустатическими являются методы максимального давления в капле (пузырьке), отрыва кольца или пластины и сталагмометрический метод. 1. Метод капиллярного поднятия В основе метода 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: p=2/rм и p=ρgh rм – радиус кривизны мениска жидкости в капилляре; ρ – разность плотностей жидкости и газовой фазы; g – ускорение свободного падения. Вводя так называемую капиллярную постоянную а: а2=2/(ρg)=rмh и учитывая угол смачивания θ жидкостью стенок капилляра радиусом r получаем: =ρgrh/(2cosθ)=a2ρg/(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. Метод капиллярного поднятия является одним из наиболее точных (относительная погрешность менее 0,01 %). 2. МЕТОД МАКСИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ В ПУЗЫРЬКЕ Метод максимального давления в пузырьке основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр. При медленном продавливании пузырька из капилляра в жидкость в нем возникает избыточное внутреннее давление p, которое согласно закону Лапласа определяется поверхностным натяжением и кривизной поверхности пузырька p=2/rм. Радиус кривизны rм изменяется по мере продавливания пузырька в жидкость. Из рисунка 6 видно, что в начальный момент пузырек имеет большой радиус кривизны и поверхность его почти плоская. Со временем радиус кривизны уменьшается, пузырек становится все более выпуклым и при rм=r избыточное давление внутри пузырька достигает максимального значения pmax. Это давление соответствует внешнему давлению в капилляре. Для дальнейшего увеличения размера пузырька не требуется повышение внешнего давления, поскольку с ростом пузырька внутреннее давление в нем в соответствии с уравнением Лапласа уменьшается. В результате воздух, находящийся в трубке, устремляется к сформировавшемуся пузырьку и приводит к его отрыву от капилляра. Таким образом, определение поверхностного натяжение рассматриваемым методом сводится к измерению внешнего давления, равного pmax. При определении поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке следует также учитывать гидростатическое давление слоя жидкости, находящейся над ним. Однако, если глубина погружения капилляра в жидкость незначительна и радиус r мал, поправкой на это давление можно пренебречь.  Рис. 6. Схема, иллюстрирующая формирование пузырька воздуха на выходе из капилляра. Максимальное давление в пузырьке в простейшем варианте можно измерить с помощью прибора Ребиндера (рис. 7). Прибор состоит из стеклянного сосуда 1 с боковой трубкой 4, к которой припаян манометр 5. Верхнее отверстие сосуда 1 плотно закрывают пробкой 3, через которую проходит стеклянная трубка 2 с оттянутым капиллярным концом. Изогнутый конец трубки 4 пропускают через пробку, плотно закрывающую верхнее отверстие аспиратора 6.  Рис. 7. Прибор для измерения поверх ностного натяжения по методу Ребиндера. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Работа состоит из двух частей:
Из исходного раствора ПАВ приготовить в колбах на (50 мл) растворы 6 концентраций по 40 мл каждого. Из каждой колбы отобрать 20 мл раствора в другие 6 колб (на 200 мл) и туда же внести по 1 г активированного угля, который предварительно измельчают в ступке. Растворы с углем тщательно перемешать и поместить на качалку на 30 минут. Оставшиеся растворы по 20 мл в каждой колбе используют для определения поверхностного натяжения. Исследуемую жидкость наливают в стеклянный сосуд 1 до уровня, при котором кончик капилляра 2 погружается в нее не более чем на 1 мм (избыток жидкости отбирают с помощью капилляра или пипетки). Стеклянный сосуд соединяют с аспиратором и манометром. Все соединения должны быть герметичными. Аспиратор наполняют водой и плотно закрывают пробкой. Открывают кран аспиратора. В установке создается разряжение, в результате чего манометрическая жидкость поднимается в трубке. Сформировавшийся на конце капилляра пузырек воздуха при достижении pmax, пробивая поверхностный слой, лопается. В этот момент давление в системе снижается, и манометрическая жидкость начинает опускаться, но затем в результате образования нового пузырька она снова поднимается. Таким образом, уровень манометрической жидкости все время колеблется. Чтобы уменьшить пульсацию жидкости в измерительной трубке, добиваются равномерного проскока пузырьков, с интервалом 20-30 сек. Время образования и отрыва пузырьков воздуха регулируют путем изменения скорости вытекания воды из аспиратора. Если показание манометра pmax (суммарное значение уровней от нуля вверх и от нуля вниз) в течение 2-3 с не изменяется, то его считают установившимся и записывают. Чтобы исключить трудоемкую операцию по измерению радиуса капилляра, для определения поверхностного натяжения используют относительный метод. Для этого находят константу ячейки R, которую рассчитывают по значениям максимального давления pст и поверхностного натяжения ст для стандартных жидкостей при данной температуре. Будем использовать в качестве стандартного раствора дистиллированную воду.  (12)Определив коэффициент R и измерив давление pmax для исследуемой жидкости X, рассчитывают значения поверхностного натяжения  (13)Обобщенная формула выглядит так:  (14) ,  - поверхностное натяжение исследуемого раствора и чистой воды, при данной температуре. ,  - показание манометра для исследуемого раствора и воды.Таким образом, для 6 концентраций спирта рассчитывают поверхностное натяжение. По истечении заданного времени адсорбции суспензию угля отфильтровывают через бумажные фильтры. Первые порции фильтратов (5 мл) отбрасывают, так как в них концентрация кислоты может быть понижена за счет адсорбции фильтровальной бумагой. Поверхностное натяжение равновесных растворов спирта в фильтратах определяют так же, как и исходные растворы до адсорбции. |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс дисциплины «Теория систем и системный анализ» Учебно-методический комплекс дисциплины включает следующие документы и материалы |  | Учебно-методический комплекс дисциплины «Монтаж и наладка систем электроснабжения» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 09 Общая биология... Целью изучения дисциплины является ознакомление студентов с основными отличиями органического мира от неживой природы, с уникальностью... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «Теория экономических информационных систем» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Исследование систем управления учебно-методический комплекс по направлению:... Исследование систем управления: Учебно-методический комплекс / Авт. Сост. Е. В. Козлова – спб.: Ивэсэп, 2005 | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физиология высшей нервной... Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины Теория самоорганизации биологических систем Разработчики Учебно-методический комплекс дисциплины Теория самоорганизации биологических систем | | Учебно-методический комплекс дисциплины красноярск 2012 пояснительная... Учебно-методический комплекс дисциплины (умкд) «Психодиагностика» для студентов заочной формы обучения (3,5 года обучения) по специальности... |
| «Учебно-методический комплекс дисциплины «Информационное обеспечение систем управления» | | Учебно-методический комплекс дисциплины специальность 100110. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины (умкд) «Информационная культура» состоит из следующих элементов |
| Учебно-методический комплекс дисциплины ... | | Учебно-методический комплекс дисциплины специальность: 050706. 65 «Педагогика и психология» Настоящий учебно-методический комплекс дисциплины (умкд) «Психолого-педагогическая коррекция» для студентов 5-го заочного отделения... |
| Учебно-методический комплекс по специальности: 080507- менеджмент... Исследование систем управления: Учебно-методический комплекс / Авт сост. Т. М. Дерендяева – кфспб.: Ивэсэп, 2010 | | Учебно-методический комплекс дисциплины специальность : 040101. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины (умкд) «Информатика» для студентов очной формы обучения по специальности 040101. 65 социальная... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины проектирование информационных... Основная цель изучения курса “Исследование систем управления” приобретение знаний, формирование и развитие умений и навыков исследовательской... | | Учебно-методический комплекс дисциплины по выбору направление 050700. 62 «Педагогика» Настоящий учебно-методический комплекс дисциплины по выбору (умкд) «Психолого-педагогическая коррекция» для студентов 4-го курса... |
