Аппаратура и методика определения поверхностного натяжения спиртов и их смесей

УДК 531

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

СПИРТОВ И ИХ СМЕСЕЙ

Хворов Ю.А., Юрченко С.А., Астафьева Т.Н.

Тувинский государственный университет, г. Кызыл

APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING THE SURFACE TENSION ALCOHOL

AND MIXTURES THERE OF

Khvorov Yu.A., Yurchenco C.A., Astafyeva T.N. Tuvan State University, Kyzyl

В статье рассматриваются вопросы экспериментального определения поверхностного натяжения спиртов. Рассмотрена методика определения поверхностного натяжения, обработка экспериментальных данных. Приведен расчет погрешностей определения ст на примере спиртов и их смесей.

Ключевые слова: аппаратура, физика, теория, поверхностное натяжение, жидкость.

The article deals with the experimental determination of the surface tension of alcohol. The method of determining the surface tension, the processing of experimental data. Error calculation shows an example alcohols and mixtures thereof.

Keywords: apparatus, physics, theory, surface-tension, liquid.

Знание поверхностного натяжения жидкостей играет большую роль при проведении исследовательских работ в различных отраслях науки и техники, а также при осуществлении контроля за технологическими процессами и качеством продукции, при переработке и эксплуатации самых различных материалов.

Используемая в данной работе методика и техника проведения экспериментальных исследований по определению поверхностного натяжения индивидуальных жидкостей и их смесей предусматривала сведение к возможному минимуму внешних воздействий на определяемую физико-химическую характеристику, стабилизацию температурных условий, прецизионность осуществляемых измерений, устранение посторонних примесей в исследуемых веществах.

Сконструирована нами под руководством профессора Пугачевича П.П. установка для изучения физико-химических характеристик жидкостей (УИФХХ-2) [ 1 ] позволяет с помощью специального амортизатора и приборной рамки изолировать от внешнего влияния, всевозможных вибраций, помещенные в термостат со смотровыми окнами измерительные приборы для определения поверхностного натяжения жидкостей и других характеристик исследуемых веществ.

Нагревательные элементы воздушного термостата данной установки, система принудительного перемешивания воздуха и возможность плавной автоматической регулировки температуры в ней позволяют поддерживать в широком

интервале температур заданные параметры по всему объему термостата не хуже, чем 0,1 К.

Для определения поверхностного натяжения жидкостей существует целый ряд методов, которые условно можно разделить: на статические - метод формы лежащей (или висящей) капли или газового пузырька, метод капиллярного поднятия, метод стягивания нити, метод отрыва двух сфер; полустатические - метод отрыва кольца или пластины, метод погружения вертикальных пластин, метод веса или объема капли, метод максимального давления в газовом пузырьке или капле; и динамические - метод вибрирующих струй, метод капиллярных волн.

Из указанных методов измерения поверхностного натяжения жидкостей далеко не все из них оказываются пригодными для получения прецизионных т.е. особо точных данных. Одним из наиболее надежных является полустатический метод - метод максимального давления в газовом пузырьке или капле, основанный на определении того максимального давления р, которое необходимо для продавливания пузырька через калиброванную трубку радиуса г, опущенную в исследуемую жидкость, или для выдавливания капли жидкости из вертикально поставленной калиброванной трубки. Этот метод не требует учета краевого угла смачивания, определения геометрических параметров капли или пузырька.

Конструкция приборов для измерения поверхностного натяжения методом максимального давления можно разбить на четыре основные группы. Это - приборы Симона-де-Метца [ 2 ] в которых одну калиброванную трубку погружаютна определенную глубину в исследуемую жидкость; приборы Сагдена [ з ], содержащие две калиброванные трубки разных радиусов, погружаемые в жидкость на одинаковую глубину; приборы Егера, в которых используются две калиброванные трубки различных радиусов, погружаемые на разную глубину в исследуемую жидкость, с таким расчетом, чтобы пузырьки через них продавливались одновременно; приборы Ребиндера П.А. [ 4 ] , в которых калиброванная трубка касается поверхности изучаемой жидкости.

Преимущества метода максимального давления в газовом пузырьке или капле состоит в том, что измерения поверхностного натяжения жидкостей можно проводить с небольшим количеством жидкости, в легко термостатируемом объеме, защищенном от испарений и загрязнений.

Наряду с достоинством приборы [ 2~4 ], имеют ряд недостатков. В их числе необходимость измерения глубины погружения калиброванной трубки в исследуемую

жидкость [ 2 ]; необходимость учета изменения уровня жидкости в резервуаре с калиброванной трубкой при формировании пузырька на её срезе, и учета капиллярного поднятия или депрессии исследуемой жидкости в резервуаре с

калиброванной трубкой [ 2' 4 ]; применение специального манометра для измерения

максимального давления р в газовом пузырьке или капле [ 2"4 ].

Указанные недостатки были устранены в усовершенствованных газовых

приборах конструкции П.П. Пугачевича [ 5>6 ] . Один из таких приборов -

гравитационный усовершенствованный газовый прибор с одной калиброванной трубкой (ГУГАЗП- 1КТ) [ 6 ] предназначен для определения поверхностного натяжения смачивающих и не смачивающих жидкостей (рис. 1).

Рис. 1. Гравитационный усовершенствованный газовый прибор с одной калиброванной трубкой (ГУГАЗП-1КТ).

1 - трубка для заливки жидкости; 2 - резервуар; 4 - калиброванная трубка; 5 - газовый пузырек; 3, 6, 10, 12 - соединительные трубки; 8 - сужение; 9 - резервуар для отработанной жидкости; 10 - манометрический резервуар.

Для измерения поверхностного натяжения жидкостей тщательно вымытый и высушенный под вакуумом ГУГАЗП - 1КТ заполняют через трубку (1) исследуемой жидкостью, после чего трубку (1) запаивают.

Затем прибор укрепляют на специальной рамке так, чтобы его можно было вращать вокруг оси ХХ1, и помещают в воздушный термостат.

После 2,5 - 3 часового термостатирования приступают к измерениям поверхностного натяжения исследуемой жидкости. Для этого прибор поворачивают вокруг оси ХХ1 по часовой стрелке так, чтобы исследуемая жидкость из резервуаров (9) и (11) по трубкам (6) и (7) перетекла в резервуар (2). По возвращении прибора в исходное положение, часть жидкости из резервуара (2) под действием силы тяжести перетекает в резервуар (11), а из него через сужение (8) медленно перемещается в резервуар (9).

В результате этого возникает разность давлений над жидкостью в резервуаре (2) и внутри капиллярной трубки (4) начинает формироваться газовый пузырек (5). Как только уровень жидкости в манометрическом резервуаре (11) опускается на величину Н, равную вертикальному расстоянию от среза калиброванной трубки (4) до уровня в манометрическом резервуаре (11), и отвечающему максимальному давлению р в газовом пузырьке (5), через калиброванную трубку (4) начинают проскакивать пузырьки газа.

Это приводит к тому, что давление над поверхностью жидкости в резервуаре (2) возрастает, часть жидкости из него быстро перетекает в резервуар (11) по трубке (6), уровень жидкости в манометрическом резервуаре (11) повышается, и продавливание газовых пузырьков через калиброванную трубку (4) прекращается.

Однако жидкость из манометрического резервуара (11) продолжает медленно перетекать через сужение (8) в резервуар (9), и уровень её в резервуаре (11) снова понижается. Расстояние до среза капилляра (4) снова достигает высоты, соответствующей максимальному давлению в газовом пузырьке (5), и через калиброванную трубку (4) снова начинают проскакивать пузырьки газа, и т.д.

Формирование пузырьков с последующим отрывом от среза капилляра (4) продолжается до тех пор, пока уровень жидкости в резервуаре (2) не опустится до верхнего основания трубки (6), соединяющей резервуар (2) с резервуаром (11). Для продолжения измерений прибор снова поворачивают вокруг оси ХХ1 по часовой стрелке настолько, чтобы жидкость из резервуаров (9) и (11) перетекла в резервуар (2), после чего прибор возвращают в исходное положение и продолжают измерения.

Зная величину Нср, измеряемую катетометром КМ-8 и отвечающую максимальному давлению р в газовом пузырьке, плотность р жидкости при данной температуре, радиус калиброванной трубки г и, пренебрегая плотностью пара над жидкостью, рассчитывают величину поверхностного натяжения ст исследуемой жидкости по формуле

с = 0,5 р g Н х, ^

где д - ускорение свободного падения, х - эффективный радиус калиброванной трубки, рассчитываемый методом последовательных приближений с помощью таблицы

Сагдена[з ].

Согласно уравнению (1) относительную ошибку в определении поверхностного натяжения жидкостей с помощью ГУГАЗП-1КТ рассчитывают по формуле

Ас А g Ар А Н А х — = — + — + — +—,

с g р Н

ср

где Ас' Аg' А р' АН' Ах" абсолютные погрешности в определении поверхностного натяжения, ускорения свободного падения, плотности, высоты, соответствующей максимальному давлению в газовом пузырьке, и эффективного радиуса калиброванной трубки.

Учитывая, что ускорение свободного падения д определено с высокой

А я

степенью точности в формуле (2) относительная погрешность

я

в определении

Ар

ускорения свободного падения не будет превышать 0,01%. Величиной

р

также

можно пренебречь, так как точность определения р высока. Тогда выражение (2) принимает вид

А а А Н А х а Н х

ср

Полученная формула (3) в дальнейшем используется для расчета относительной погрешности определяемого поверхностного натяжения изучаемых жидкостей.

Поверхностное натяжение ст исследуемых жидкостей рассчитывали по формуле (1). Радиус калиброванной трубки равен Гк =1,0166.10-3 м.

Его измеряли с помощью микроскопа УИМ-21, для которого А г = А х = 10 ~6 м .

Высоты Нср измеряли с помощью катетометра КМ-8, для которого

АН = 2 х 10 5 м . Ускорение свободного падения я для г. Кызыла составляет

Аа

9,81244 м/с2. Средняя относительная погрешность при определении

а

поверхностного натяжения исследуемых жидкостей с помощью ГУГАЗП-1КТ составила 0,7%.

Результаты определения ст исследуемых жидкостей представлены в таблицах 1 - 4.

Таблица 1.

Экспериментальные значения поверхностного натяжения

ах 10 , Н / м

) растворов ПЭГ - 4000 в толуоле

1°, с ах 10 3 1°, с ах 10 3

х. = 0,43 % 1 ' х = 0,86 % 1 ' х. = 0,43 % 1 ' х = 0,86 % 1 '

30 27,17 28,76 70 22,56 23,66

40 26,00 27,33 80 21,26 22,72

50 24,88 26,20 90 20,08 21,58

60 23,50 24,91 100 19,07 20,16

Таблица 2.

с х 103,Н /м-

1°, с с х 103

изоамиловый изобутиловый н-бутиловый изопропиловый

30 22,92 21,81 23,51 20,41

40 22,24 21,13 22,82 19,57

50 21,55 20,36 22,09 18,76

60 20,82 19,58 21,32 17,85

70 20,06 18,74 20,50 16,97

80 19,31 17,88 19,67

90 18,53 17,09 18,92

100 17,65 16,08 17,95

110 16,92 16,99

120 16,01

Поверхностное натяжение (

с х 103,Н /м

Таблица 3.

) смесей изопропилового и н-бутилового

спиртов

1°, с с х 103

с = 0,808 с = 0,606 с = 0,269

30 20,85 21,56 23,19

40 20,19 20,90 22,26

50 19,26 20,04 21,44

60 18,40 19,08 20,62

70 17,56 18,25 19,84

Таблица 4.

Поверхностное натяжение

1°, с с х 103

с = 0,685 с = 0,500 с = 0,456

30 21,30 21,53 22,14

40 20,51 20,72 21,50

50 19,79 19,94 20,77

60 18,97 19,19 19,98

70 18,11 18,26 19,20

Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы: поверхностное натяжение растворов ПЭГ-4000 с повышением

температуры уменьшается, а с увеличением массовой доли ПЭГ-4000 в растворе увеличивается.

Поверхностное натяжение чистых спиртов и их смесей с повышением температуры уменьшается; поверхностное натяжение чистых спиртов возрастает с увеличением их молекулярной массы и зависит от химической структуры молекул; в смесях изопропилового спирта с н-бутиловым и изоамиловым отсутствуют химические реакции.

Библиографический список

1. Установка для измерения физико-химических характеристик жидкостей (УИФХХ-2) / Пугачевич П.П., Хворов Ю.А., Данилейко В.И. и др. - Кызыл: КГПИ, 1983. - Деп. В ВИНИТИ, № 6311 - Деп.

2. Simon M. Reduches surla capillarite // Ann. Chem.Phys.- 1851, V.32,

№ 5. - P. 5 -41.

3. Sugden S. The Determination of surface Tension from the maximum Presssure in Buble // J. Chem. Soc. - 1922, V. 121, P. 858 - 870.

4. Ребиндер П.А. Об измерении поверхностной энергии и поверхностной активности растворов и биологических жидкостей на разных поверхностях раздела // Экспериментальная биология и медицина. - 1972, Т. 4, № 14. - С. 939 - 953.

5. Пугачевич П.П. Измерения поверхностного натяжения жидкостей в усовершенствованных газовых приборах // Труды МХТИ им. Д.И.Менделеева. - 1967, Вып. 54. - С. 73 - 78.

6. Pugachevich P.P. Experimental Thermodynamics of nonreaching Fluids International Union of Pure and applied chemistry // Pure and applied chemistry. - 1975? V. 2/ - P. 991 - 1020.

Bibliograficheskij spisok

1. Ustanovka dlya izmereniya fiziko-khimicheskikh kharakteristik zhidkostej (UIFKHKH-2) / Pugachevich P.P., Khvorov Yu.A., Danilejko V.I. i dr. - Kyzyl: KGPI, 1988. - Dep. V VINITI, 6311 -Dep.

2. Simon M. Reduches sur la capillarite // Ann. Chem.Phys.- 1851, V.32,

№ 5. - P. 5 -41.

3. Sugden S. The Determination of surface Tension from the maximum Presssure in Buble // J. Chem. Soc. - 1922, V. 121, P. 858 - 870.

4. Rebinder P.A. Ob izmerenii poverkhnostnoj energii i poverkhnostnoj aktivnosti rastvorov i biologicheskikh zhidkostej na raznykh poverkhnostyakh razdela // Eksperimentalnaya biologiya i meditsina. - 1972, T. 4, 14. - S. 939 - 953.

5. Pugachevich P.P. Izmereniya poverkhnostnogo natyazheniya zhidkostej v usovershenstvovannykh gazovykh priborakh // Trudy MKHTI im. D.I.Mendeleeva. - 1967, Vyp. 54. -s. 73 - 78.

6. Pugachevich P.P. Experimental Thermodynamics of nonreaching Fluids International Union of Pure and applied chemistry // Pure and applied chemistry. - 1975, V. 2. - P. 991 - 1020.

Хворов Юрий Алексеевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Тувинского государственного университета, г.Кызыл, E-mail: khvorov 41@mail.ru.

Астафьева Татьяна Николаевна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Тувинского государственного университета, г.Кызыл, E-mail: astafeva.tatyana.54@mail.ru.

Юрченко Светлана Анатольевна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Тувинского государственного университета, г. Кызыл

Khvorov Yu.A - candidate of Physical and Mathematical sciences, Tuvan StateUniversity, Kyzyl, E-mail: khvorov 41@mail.ru.

Astafyeva T.N - candidate of Physical and Mathematical sciences, Tuvan StateUniversity, Kyzyl, E-mail: astafeva.tatyana.54@mail.ru.

Yurchenco C.A. - candidate of Physical and Mathematical sciences, Tuvan StateUniversity, Kyzyl.

УДК 531

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ

ЖИДКОСТЕЙ И РАСТВОРОВ

Хворов Ю.А., Юрченко С.А., Астафьева Т.Н.

Тувинский государственный университет, г. Кызыл

APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING INDIVIDUAL

VISCOSITY LIQUIDS AND SOLUTIONS

Khvorov Yu.A, Yurchenco C.A., Astafyeva T.N.

Tuvan State University, Kyzyl

В статье рассматриваются вопросы экспериментального определения вязкости спиртов. Рассмотрена методика определения вязкости, обработка экспериментальных данных. Приведена погрешность расчетов на примере спиртов и их смесей.

Ключевые слова: аппаратура, физика, теория, вязкость, жидкость.

The questions of experimental determination of viscidity ofalcohols are examined In the article. Methodology ofdetermination of viscidity, processing of experimental data, isconsidered. An error over of calculations is brought on theexample of alco ols and their mixtures.

Key words: apparatus, physics, theory, the viscidity of the liquid.

Методы определения вязкости жидкостей можно разбить на две группы. Первая группа включает в себя метод истечения, метод падающего шарика, метод вращающихся коаксиальных цилиндров. Вторая группа подразделяется на метод затухающих крутильных колебаний диска, цилиндра или пластины и ультразвуковой метод.

Наиболее широкое применение нашёл капиллярный метод, основанный на законе Пуазейля. При абсолютных измерениях вязкости капиллярным вискозиметром необходимо вносить поправки на кинетическую энергию и опорожнение рабочего резервуара, на дополнительное сопротивление, происходящее от присутствия плоских концов толстостенного капилляра, обрезанного под прямым углом к оси и прочее. Относительный же метод измерения вязкости выгодно отличается от