В физике , то метод максимального давления пузырька , или в коротком методе давления пузыря , представляет собой метод для измерения поверхностного натяжения в виде жидкости , с поверхностно -активными веществами .
Фон [ править ]
Когда жидкость образует границу раздела с газовой фазой, молекула на границе имеет совершенно разные физические свойства из-за дисбаланса сил притяжения соседних молекул. В состоянии равновесия жидкости внутренние молекулы находятся под действием сбалансированных сил с равномерно распределенными соседними молекулами.
Однако относительно меньшее количество молекул в газовой фазе над границей раздела, чем в конденсированной жидкой фазе, приводит к тому, что общая сумма сил, приложенных к поверхностной молекуле, находится непосредственно внутри жидкости, и, таким образом, поверхностные молекулы стремятся минимизировать свою собственную площадь поверхности.
Такое неравенство молекулярных сил вызывает непрерывное движение молекул изнутри к поверхности, что означает, что молекулы поверхности обладают дополнительной энергией , которая называется свободной энергией поверхности или потенциальной энергией , [ что? ], и такая энергия, действующая на уменьшенную единицу площади, определяется как поверхностное натяжение .
Это основа для интерпретации соответствующих явлений, возникающих на поверхности или на границе раздела материалов, и было разработано множество методов измерения поверхностного натяжения . [1]
Среди различных способов определения поверхностного натяжения, метод кольца Дю Нюи и метод скольжения Вильгельми основаны на отделении твердого объекта от поверхности жидкости, а метод подвесной капли и метод неподвижной капли или пузырька зависят от деформации сферической формы объекта. капля жидкости. [1]
Несмотря на то, что эти методы относительно просты и обычно используются для определения статического поверхностного натяжения , в случае, если примеси добавляются в жидкость, следует применять измерение поверхностного натяжения на основе динамического равновесия , поскольку для получения полностью сформированного материала требуется больше времени. поверхность, и это означает, что трудно достичь статического равновесия, как это делает чистая жидкость. [2]
Наиболее типичной примесью, вызывающей измерение динамического поверхностного натяжения, является молекула поверхностно-активного вещества, которая имеет как гидрофильный сегмент, обычно называемый «головной группой», так и гидрофобный сегмент, обычно называемый «хвостовой группой» в одной и той же молекуле. Из - за характерную молекулярную структуру , поверхностно -активные вещества мигрируют в жидкую газовой фазу поверхности окаймления , пока внешняя сила не разогнать накопленные молекулы из интерфейса или поверхностей полностью занят и , таким образом , не может быть установлена дополнительными молекулами. Во время этого процесса поверхностное натяжение уменьшается как функция времени и, наконец, приближается к равновесному поверхностному натяжению (σ- равновесие ). [3] Такой процесс показан на рисунке 1. (Изображение было воспроизведено из ссылки) [2]
- Рисунок 1 - Миграция молекул поверхностно-активного вещества и изменение поверхностного натяжения (σ t1 > σ t2 > σ равновесие )
Метод максимального давления пузырька [ править ]
Одним из полезных методов определения динамического поверхностного натяжения является измерение «метода максимального давления пузырька» или, проще говоря, метода давления пузырька. [1] [2]
Тензиометр давления пузырьков создает пузырьки газа (например, воздуха) с постоянной скоростью и продувает их через капилляр, который погружен в жидкость пробы, радиус которого уже известен.
Давление ( Р ) внутри газового пузырька продолжает увеличиваться , а максимальное значение получается , когда пузырек имеет полностью полусферическую форму, радиус которой точно соответствует радиусу капилляра. [3]
На рис. 2 показан каждый этап образования пузырька и соответствующее изменение радиуса пузырька, и каждый этап описан ниже. (Изображение было воспроизведено по ссылке) [2] [3]
- Рисунок 2 - Изменение давления во время образования пузырьков в зависимости от времени.
A, B: на конце капилляра появляется пузырек. По мере увеличения размера радиус кривизны пузыря уменьшается.
C: В точке максимального давления пузырька пузырь имеет полную полусферическую форму, радиус которой идентичен радиусу капилляра, обозначенному Rcap. Поверхностное натяжение можно определить с помощью уравнения Юнга – Лапласа в приведенной форме для сферической формы пузырька в жидкости. [3]
(σ: поверхностное натяжение, Δ P max : максимальный перепад давления, R cap : радиус капилляра)
D, E: после достижения максимального давления давление пузырька уменьшается, а радиус пузырька увеличивается до тех пор, пока пузырь не отделится от конца капилляра и не начнется новый цикл. Это не имеет отношения к определению поверхностного натяжения. [3]
В настоящее время разрабатываемые и коммерчески доступные тензиометры контролируют давление, необходимое для образования пузырька, разность давлений внутри и снаружи пузырька, радиус пузырька и поверхностное натяжение образца рассчитываются за один раз, а сбор данных осуществляется через Управление с ПК .
Метод пузырькового давления обычно используется для измерения динамического поверхностного натяжения системы, содержащей поверхностно-активные вещества или другие примеси, поскольку он не требует измерения угла контакта и имеет высокую точность, даже если измерение выполняется быстро. [1] [3] «Метод пузырькового давления» может применяться для измерения динамического поверхностного натяжения, особенно для систем, содержащих поверхностно-активные вещества. [3] Более того, этот метод подходит для применения с биологическими жидкостями, такими как сыворотка [ какая? ], потому что для измерений не требуется большой объем жидкой пробы. [4]Наконец, этот метод используется для косвенного определения содержания поверхностно-активного вещества в промышленных ваннах для очистки или нанесения покрытий, поскольку динамическое поверхностное натяжение в конкретном диапазоне скоростей образования пузырьков показывает сильную корреляцию с концентрацией. [2]
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d Адамсон, Артур В .; Алиса П. Гаст (1997). Физическая химия поверхности (6-е изд.). Wiley Interscience.
- ^ a b c d e Метод пузырькового давления на kruss-scientific.com
- ^ a b c d e f g Динамические методы на lauda.de
- ^ Хаббард, Артур Т. (2002). Энциклопедия поверхностных и коллоидных наук (Том 1). CRC Press, стр. 814–815
Внешние ссылки [ править ]
- Принцип измерения и области применения измерения динамического поверхностного натяжения тензиометром давления пузырьков
- Метод пузырькового давления для измерения динамического поверхностного натяжения
