Методы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

 1. Капиллярный метод.
 Метод основан на использовании соотношения

h = 2σ/(ρgR) = 2σcosθ/(ρgr),
где R = r/cosθ, θ − краевой угол, радиус капилляра − r, радиус кривизны мениска − R.

 Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости путем измерения высоты h поднятия ее уровня в капилляре известного радиуса r:
σ = ρghr/(2cosθ).
 Основной недостаток этого метода − сложность определения величины краевого угла θ. Поэтому использовать этот метод удобно только в тех случаях, когда смачивание близко к идеальному и cosθ ≈ 1.

 2. Метод Ребиндера (метод определения максимального давления в пузырьке).
 В исследуемую жидкость 1, находящуюся в сосуде (рис.),

вертикально опускается капиллярная трубка 2, узкий конец которой диаметром не более 0,5 мм касается мениска исследуемой жидкости. Другим концом эта трубка сообщается с атмосферным воздухом, поэтому внутри капилляра поддерживается атмосферное давление р_о.
 Давление р над исследуемой жидкостью постепенно уменьшают с помощью водяного насоса. Разность давлений (р_о − р) стремиться выдуть пузырек воздуха из капилляра в жидкость, но этому противодействует добавочное давление
Δр = 2σ/r,
создаваемое силами поверхностного натяжения жидкости в образующемся пузырьке радиуса r и направленное к центру пузырька.
 Наконец, при некоторой разности давлений (р_о − р) из капиллярной трубки выдувается в жидкость воздушный пузырек. Разность давлений (р_о − р), максимальная в этот момент, измеряется U-образным манометром и равна ρgh, где ρ − плотность жидкости в манометре, h − разность ее уровней.
 Таким образом, в момент выдувания пузырька имеет место равенство:
ρgh = 2σ/r. (1)
 Здесь неизвестен радиус r выдуваемого пузырька, измерить который крайне затруднительно. Поэтому прибегают к использованию эталонной жидкости, коэффициент поверхностного натяжения σ_o которой известен и близок к коэффициенту поверхностного натяжения σ исследуемой жидкости. При этом полагают, что радиусы пузырьков, выдуваемых из одного и того же капилляра в обоих случаях будут одинаковы.
 Теперь вместо исследуемой жидкости в сосуд наливают эталонную жидкость и измеряют по манометру максимальную разность уровней h_o, при которой пузырек воздуха выдувается в эталонной жидкости и выполняется равенство:
ρgh_o = 2σ_o/r. (2)
 Разделив уравнение (1) на (2) и решив относительно σ, получаем формулу для вычисления поверхностного натяжения исследуемой жидкости:
σ = σ_oh/h_o.
 Рассмотренным методом можно определять поверхностное натяжение и на границе раздела двух не смешивающихся жидкостей. В этом случае узкий конец капиллярной трубки должен касаться поверхности раздела этих жидкостей, но при этом следует обязательно учитывать гидростатическое давление ρ₁gН жидкости, расположенной сверху, толщина слоя которой равна Н, а плотность − ρ₁.

 3. Сталагмометрический метод (метод счета капель).
 Как уже отмечалось, под действием поверхностного натяжения свободная поверхность капель жидкости стремится принять шарообразную форму, соответствующую наименьшей поверхностной энергии и наименьшей площади свободной поверхности. Их форма тем ближе к шаровой, чем меньше вес капель, поскольку для малых капель сила поверхностного натяжения превосходит силу тяжести.
 Форма и размер капель, отрывающихся от конца капиллярной трубки, зависят не только от силы поверхностного натяжения, но и от диаметра трубки и плотности вытекающей жидкости. При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли постепенно растет. На рис.

Показан процесс образования капли.
 Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d₁ капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли она равна результирующей силе поверхностного натяжения F_н = πdσ:
πdσ = mg.
Отсюда следует, что, измеряя массу m одной капли и зная диаметр d шейки капли, можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения:
σ = mg/(πd).
 Массу одной капли определяют взвешиванием на аналитических весах определенного отсчитанного количества капель (отсюда и название метода) и последующего вычисления средней массы одной капли.

 4. Метод отрыва кольца.
 На поверхность исследуемой жидкости помещают кольцо или рамку. Если жидкость смачивает кольцо, то силы поверхностного натяжения F₁ и F₂, действующие на его наружную и внутреннюю поверхности диаметрами D и d, направлены внутрь жидкости, как показано на рис.

и создают суммарную силу поверхностного натяжения, равную
F_п = σπ(D + d). (3)
 Чтобы оторвать кольцо от поверхности жидкости, надо приложить направленную вверх силу F, которая скомпенсирует силу тяжести mg кольца и силу поверхностного натяжения F_п:
F = F_п + mg. (4)
 Измерив с помощью динамометра или весов силу F отрыва кольца и зная его массу и размеры, из соотношений (3) и (3) получают выражение для коэффициента поверхностного натяжения жидкости:
σ = (F − mg)/(π(D + d)).

---

 Смотрите еще:
 Практикум абитуриента, школьника, олимпиадника.
 Подготовка олимпиадника.
 Подготовка абитуриента.