Существует значительное число методов измерения поверхностного натяжения легкоподвижных поверхностей раздела фаз жидкость - газ и жидкость - жидкость. Эти методы разделяются на: 1) статические; 2) полустатические; 3) динамические.
1) В статических методах поверхностное натяжение определяется на основе изучения равновесного состояния, к которому самопроизвольно приходит изучаемая система. В практикуме используются статические методы уравновешивания пластинки (метод Вильгельма) и капиллярного поднятия.
В методе Вильгельма определяется сила, которая необходима для уравновешивания тонкой пластинки шириной d, погруженной в жидкость; обычно используется полностью смачиваемая жидкостью пластинка, и поверхностное натяжение рассчитывается из выражения:
σ= F/2d , (3.6)
где F - сила, втягивающая пластинку в жидкость, за вычетом веса пластинки.
Метод капиллярного поднятия основан на определении высоты столба жидкости h в капилляре радиуса r при полном смачивании; поверхностное натяжение рассчитывают по формуле:
σ= ρghr/2, (3.7)
где ρ - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести.
Более точная формула учитывает объем жидкости над мениском, равный πr3/3. Удобно использовать не один, а два капилляра с разными радиусами r' и r'', градуированные по эталонной жидкости с известным поверхностным натяжением σэ. Тогда:
σ= σэρ ( h' - h'')/ρ э(hэ' - hэ''), (3.8)
где h', h'', hэ', hэ''- высоты поднятия исследуемой и эталонной жидкостей в соответствующих капиллярах, ρэ - плотность эталонной жидкости.
Метод лежащей капли основан на измерении геометрических параметров равновесной капли, форма которой определяется соотношением плотности и поверхностного натяжения жидкости.
Расчет осложняется тем, что уравнение, описывающее форму капли - дифференциальное уравнение второго порядка в частных производных, следующее из уравнения Лапласа, - не интегрируется в явном виде. Поэтому для определения поверхностного натяжения по результатам измерений геометрических параметров капли с требуемой точностью используются специальные таблицы или проводится расчет численными методами.
2) Полустатические методы, как и статические, основаны на достижении системой некоторого равновесного состояния, но для полустатических методов это равновесие неустойчиво. Определение основано здесь на изучении условий, при которых система теряет свое равновесие. В практикуме используются методы отрыва пластинки и кольца, а также максимального давления в пузырьке (капле).
Метод отрыва пластинки, как и метод Вильгельма, основан на определении силы, действующей со стороны жидкости на смачиваемую ею пластинку, но определение этой силы производится при отрыве пластинки от поверхности, что смягчает требования к смачиванию пластинки. Расчет поверхностного натяжения производится по выражению (3.6).
Метод отрыва кольца является одним из наиболее распространенных методов определения поверхностного натяжения жидкостей; связь поверхностного натяжения с силой F, необходимой для отрыва от поверхности жидкости тонкого кольца радиуса R, хорошо смачиваемого жидкостью (краевой угол смачивания θ= 0o), описывается выражением:
σ= kF/4πR , (3.9)
где величина k зависит от соотношения радиуса кольца и толщины проволоки, из которой оно сделано, а также от поверхностного натяжения жидкости; однако последняя зависимость достаточно слаба, что позволяет с удовлетворительной надежностью использовать этот метод как относительный:
σ= σэ . F/Fэ , (3.10)
где величины σэ и Fэ относятся к эталонной жидкости.
Метод максимального давления пузырька (капли) основан на измерении максимального значения капиллярного давления Р = 2σ / r0, возникающего при образовании на срезе капилляра пузырька сферической формы; это максимальное давление определяется радиусом капилляра ro. Метод чаще всего используется как относительный, и поверхностное натяжение исследуемой жидкости определяется по отношению значений максимальных давлений Р исследуемой и эталонной Рэ жидкостей или из соотношения соответствующих высот поднятия манометрической жидкости:
σ= σэ. h/hэ, (3.11)
где σэ - поверхностное натяжение эталонной жидкости.
3) Динамические методы используются реже; они применяются в основном для изучения поверхностных слоев в неравновесном состоянии, что позволяет, например, исследовать кинетику адсорбции и т.д.