Поверхностное натяжение (в дин/см) растворов серной кислоты

Поверхностное натяжение жидкости, воды и водных растворов (Таблица)

Поверхностное натяжение обуславливается направлением внутрь притяжением молекул жидкости, находящихся в поверхностном слое. Это притяжение вызывает искривление свободной поверхности жидкости и создает некоторую разность давлений:

∆p = δ (1/R1 + 1/R2) $

Здесь ∆p обозначает разность давлений, а R1 и R2 – главные радиусы кривизны поверхности жидкости.

Величина δ обозначает коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкость – газ, δ обычно измеряется в дин/см (эквивалентно свободной поверхности энергии в эрг/см2).

При соприкосновении двух (взаимно не растворяющихся) жидкостей говорят о поверхностном натяжении на границе двух жидкостей; при соприкосновении жидкости и твердого тела говорят о явлениях смачивания и не смачивания (капиллярных явлениях).

Зависимость от температуры. Натяжение уменьшается при возрастании температуры жидкости и при ее критической температуре становится равным нулю. Для многих жидкостей применима формула:

-d/dt [δ (M/p)2/3 = 2,12

( M – молекулярный вес, р – плотность, t – температура).

Таблица поверхностное натяжение воды на границе с воздухом

T, °C	0	10	15	20	25	30	40	50	60	70	80	100
Поверхностное натяжение δ	75,7	74,2	73,5	72,75	72,0	71,2	69,6	67,9	66,2	64,4	62,6	58,8

Таблица поверхностное натяжение различных жидкостей

(в – на границе с воздухом, п – на границе с парами этой же жидкости)

Жидкость	На границе	Температура, 0С	δ	Жидкость	На границе	Температура 0С	δ
Неорганические вещества
Алюминий	в	700	840	Натрий йодистый	N2	861	776
Азот	п	-183	6,2	Натрий сернокислый	N2	900	195
Золото	в	1130	1102	Натрий фтористый	N2	1010	200
Кадмий	N2	320	630	Натрий хлористый	N2	908	106
Калий	CO2	64	410	Ртуть	п	20	472
Калий хлористый	N2	909	88	Ртуть	п	100	456
Кислород	в	-183	13,1	Свинец	CO2	350	453
Натрий	CO2	90	290	Свинец хлористый	в	490	138
Органические вещества
Анилин	п	20	42,9	Спирт н-пропиловый	п	20	23,8
Ацетон	п	20	23,7	Спирт этиловый	в	0	24,1
Ацетон	п	50	20,0	Спирт этиловый	п	10	23,6
Бензол	в	10	30,22	Спирт этиловый	п	20	22,8
Бензол	в	20	28,88	Спирт этиловый	п	30	21,9
Бромоформ	п	20	41,5	Толуол	п	20	28,4
Н-Гексан	в	20	18,4	Углерод 4-хлористый	п	20	27,0
Глицерин	в	20	63,4	Углерод 4-хлористый	п	100	17,3
Н-Кислота масляная	в	20	26,8	Фенол	в	20	40,9
Кислота олеиновая	в	20	32,5	Хлороформ	в	20	27,14
Кислота уксусная	п	20	27,8	Этил бромистый	п	20	24,2
Н-Октан	в	20	21,8	Этилацетат	п	20	23,6
Сероуглерод	п	20	32,3	Эфир этиловый	п	20	16,96
Н-Спирт бутиловый	в	20	24,6	Эфир этиловый	п	50	13,4
Спирт метиловый	в	0	24,5
Спирт метиловый	в	20	22,6
Спирт метиловый	п	50	20,2

Таблица поверхностное натяжение водных растворов солей

Соль	δ при 200С	Соль	δ при 200С
KCI	1,4	NaNO3	1,2
NaCI	1,64	Na2SO4	2,7
Na2CO3	2,7

Таблица поверхностное натяжение на границе двух жидкостей при 200С

Жидкости	Поверхностное натяжение δ, дин/см	Жидкости	Поверхностное натяжение δ, дин/см
ВОДА И	Хлороформ	28
Бензол	35	Эфир этиловый	10
Н-Гептан	51	РТУТЬ И
Кислота гептоловая	7	Ацетон	390
Масло парафиновое	48	Бензол	357
Масло прованское	20	Н-Гептан	379
Н-Октан	51	Кислота олеиновая	322
Углерод	45	Хлороформ	357

Гост 29232-91

Поверхностное натяжение (в дин/см) растворов серной кислоты

Гост 29232-91(ИСО 4311-79)

Группа Л29

МКС 71.100.40

ОКСТУ 2409

Дата введения 1993-01-01

1. ПОДГОТОВЛЕН И ВНЕСЕН ТК 193 «Кислоты жирные синтетические, высшие жирные спирты, поверхностно-активные вещества»

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Комитета стандартизации и метрологии СССР от 28.12.

91 N 2244

Настоящий стандарт подготовлен методом прямого применения международного стандарта ИСО 4311-79 «Анионные и неионногенные поверхностно-активные вещества.

Определение критической концентрации мицеллообразования. Метод определения поверхностного натяжения с помощью пластинки, скобы или кольца» и полностью ему соответствует

3. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

5. ПЕРЕИЗДАНИЕ. Август 2004 г.

0. ВВЕДЕНИЕ

Кривые концентрационных зависимостей изменения физико-химических свойств водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) являются специфическими. В определенной области концентраций, обычно очень узкой, эти кривые имеют экстремумы, которые можно объяснить образованием в объеме раствора агрегатов молекул.

Концентрацию, при которой появляются эти экстремумы, называют «критической концентрацией мицеллообразования» (ККМ).

При равной длине гидрофобной части молекулы ПАВ критическая концентрация мицеллообразования обычно является выше для ионных поверхностно-активных веществ, чем для неионногенных.

На критическую концентрацию мицеллообразования, независимо от структуры поверхностно-активного вещества, влияют температура, а также природа и количество примесей как неорганических, так и органических.

Поэтому заранее должны быть оговорены условия, которые могут влиять на конечный результат, в том числе должна быть известна чистота продукта и, насколько это возможно, состав и количество примесей, наличие которых может значительно изменить поверхностное натяжение (полезно знать, являются ли примеси органической или неорганической природы, и, если возможно, их концентрации).

Точные значения критической концентрации мицеллообразования не могут быть получены из непосредственных измерений, но предельные границы ККМ могут быть определены из кривых концентрационной зависимости поверхностного натяжения растворов ПАВ. Полученные таким образом значения ККМ вполне удовлетворяют практиков.

1. НАЗНАЧЕНИЕ

Настоящий стандарт устанавливает метод определения критической концентрации мицеллообразования растворов анионных и неионногенных поверхностно-активных веществ в дистиллированной воде или других водных системах путем измерения поверхностного натяжения с использованием в качестве рабочего элемента пластины, скобы или кольца.

2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Этот метод определения ККМ можно использовать как для чистых, так и для технических ПАВ (ионногенных и неионногенных) при любых температурах, отличных не менее чем на 5 °С от критических, — температуры помутнения для неионногенных ПАВ и температуры Крафта для ионногенных ПАВ.

Следует иметь в виду, что для измерений при температуре выше, чем температура в лаборатории, необходимо термостатировать измерительную кювету и измерительную часть тензиометра, а также принять меры, предотвращающие испарение растворителя.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

3.1. Мицелла — агрегат из молекул и (или) ионов, образующихся в растворах ПАВ при превышении определенной критической концентрации.

3.2. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) — характерная для ПАВ в растворе концентрация (на практике узкий интервал концентраций), при превышении которой появляются и развиваются мицеллы, что приводит к резкому изменению зависимости ряда физико-химических свойств от концентрации.

3.3. Температура Крафта — температура (практически узкий температурный интервал), при которой растворимость ионногенных ПАВ резко увеличивается. При этой температуре растворимость достигает значения критической концентрации мицеллообразования.

3.4. Поверхностное натяжение — натяжение в поверхностном слое жидкости, выражаемое силой, отнесенной к единице длины. Поверхностное натяжение — проявление взаимного притяжения молекул.

В действительности существует не эластичный «поверхностный слой», а заметное притяжение между молекулами поверхности и молекулами, находящимися под этой поверхностью, направленное к внутреннему объему жидкости.

Поверхностное натяжение выражают в ньютонах на метр (Н/м). На практике используют миллиньютон (мН/м) (1 мН/м =1 дин/см).

4. ПРИНЦИП МЕТОДА

Метод основан на измерении поверхностного натяжения серии растворов ПАВ концентрациями ниже и выше критической концентрации мицеллообразования и последующем построении графика зависимости поверхностного натяжения от логарифма концентрации ПАВ. ККМ соответствует область пересечения двух кривых.

5. РАСТВОРИТЕЛЬ

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709.

6. АППАРАТУРА

Стакан Н-2 (1) — 100 ТХС по ГОСТ 25336.

Стекла часовые.

Тензиометр, оснащенный пластиной, скобой или кольцом.

Баня водяная, позволяющая контролировать температуру раствора от 20 до 80 °С с погрешностью ±1 °С.

Примечание.

Перед проведением испытаний вся химическая посуда должна находиться в течение приблизительно 12 ч в хромовой смеси, приготовленной из серной кислоты ( 1,84 г/см) и равного объема насыщенного раствора бихромата калия, затем посуда промывается дистиллированной водой (поверхностное натяжение конечной промывной воды должно быть равным поверхностному натяжению исходной воды; поверхностное натяжение измеряют с помощью тензиометра).

7. ОБРАЗЦЫ

Лабораторный образец анионного или неионногенного ПАВ готовят и хранят в соответствии с требованиями ГОСТ 6732.1 — ГОСТ 6732.5 и ГОСТ 2517.

8. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

8.1. В предварительно взвешенных стаканах готовят 10 растворов различных концентраций ПАВ таким образом, чтобы в числе этих растворов оказался раствор ожидаемой критической концентрации.

Эти растворы, каждый из которых имеет массу точно 50 г, получают либо разбавлением исходного раствора ПАВ массовой концентрации 200 мг/дм до нужной концентрации, либо растворением дополнительной части лабораторного образца ПАВ, которую взвешивают с погрешностью ±0,1 мг.

8.2. Измерения

8.2.1. Приблизительное определение области ККМ

Температуру водяной бани доводят до температуры измерений.

Если точка Крафта достаточно низка (ниже или равна 15 °С), измерения проводят при (20±1) °С, в противном случае для анионных ПАВ температура измерений должна быть по крайней мере на 5 °С выше точки Крафта. Для неионногенных ПАВ измерения проводят при (20±1) °С.

Примечание.

Испытания можно проводить и при других температурах, но с обязательным указанием этой температуры в протоколе.

Каждый стакан, содержащий испытуемый раствор, приготовленный по п.9.1, накрывают часовым стеклом и помещают в водяную баню с контролируемой температурой.

Поверхностное натяжение каждого раствора измеряют в соответствии с инструкцией к тензиометру. Используя полученные результаты, строят график, как описано в п.9.3, зависимости поверхностного натяжения от концентрации, который выключает область, содержащую ККМ.

8.2.2. Определение ККМ

На основании полученных результатов готовят шесть новых растворов ПАВ концентрациями, близкими к ККМ (взвешиванием или разбавлением исходного раствора).

Каждый стакан накрывают часовым стеклом и помещают в водяную баню с контролируемой температурой.

Перемешивание растворов проводят без использования мешалки, вращательными движениями стакана с помощью руки. (Необходимо избегать образования пены при испытании веществ с увеличенным пенообразованием).

Замечают время, вводят измерительную ячейку тензиометра в раствор и не проводят измерений в соответствии с инструкцией к тензиометру до тех пор, пока не пройдет 3 ч после растворения или после разбавления (в зависимости от способа приготовления раствора), и до тех пор, пока не будет достигнута желаемая температура.

Если необходимо, это время может быть увеличено до тех пор, пока значения поверхностного натяжения не станут стабильными. В случае концентрации более высокой, чем ККМ, время достижения равновесия может уменьшиться до 15 мин.

Проводят три измерения с интервалами 15 мин для каждой концентрации без прополаскивания пластинки, скобы или кольца между измерениями.

Интервал между измерениями является адекватным, если три измерения не показывают систематического изменения, снижения или повышения поверхностного натяжения. Каждый раз при изменении концентрации промыть пластину, скобу или кольцо в этаноле и затем в дистиллированной воде. Над пламенем не сушить.

8.3. Графическое изображение кривой

Строят график, откладывая значения поверхностного натяжения на оси ординат, а логарифмы концентрации (г/дм) — на оси абсцисс. Необходимо использовать средние значения, определенные для каждой концентрации.

Общее число точек на кривой — 16: шесть точек, определенных в соответствии с п.8.2.2, и десять — п.8.1. ККМ определяют из этой кривой. Желательно подтвердить результат проведением измерений для раствора концентрации, предварительно определенной как ККМ.

Для графического определения используется масштаб, наиболее подходящий для измеренных значений поверхностного натяжения (например, 1 см =2,5 мН/м).

9. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

9.1. График поверхностного натяжения

ККМ анионных и неионногенных ПАВ, выраженную в граммах на кубический дециметр*, определяют из графика зависимости поверхностного натяжения от логарифма концентрации. На чертеже изображены наиболее типичные виды кривых:

_________________

* В случае химически чистых веществ ККМ может быть выражена в молях на кубический дециметр.

— ККМ соответствует точке на кривой, в которой происходит резкое изменение наклона кривой;

— интервал ККМ соответствует минимуму на кривой;

— значение интервала ККМ определить экспериментально невозможно.

Рекомендуется повторить измерения, так как возможная ошибка при проведении испытания или другая причина делают результаты неприменимыми.

Примеры графиков поверхностного натяжения

Примеры графиков поверхностного натяжения

Если, несмотря на повторение измерений, кривая получается без минимума, интервал ККМ определить невозможно.

9.2. Воспроизводимость

Различие в результатах, полученных на одном образце в двух различных лабораториях, не должно превышать 10%.

10. ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ

Протокол испытания должен включать:

а) характеристики продуктов, дающие наиболее полное описание внешнего вида, чистоты, содержание активного вещества, молекулярную массу;

б) температуру растворения или разбавления и температуру измерения поверхностного натяжения;

в) используемый метод приготовления растворов: разбавление или прямое взвешивание;

г) время между приготовлением раствора и проведением измерений;

д) значения используемых концентраций;

е) способ получения и качество дистиллированной воды;

ж) значение поверхностного натяжения для каждой концентрации;

з) вычисление значений поверхностного натяжения с помощью соответствующей формулы;

и) кривую зависимости поверхностного натяжения от логарифма концентрации;

к) полученные результаты, т.е. цифровое значение ККМ или интервал ККМ;

л) используемую аппаратуру;

м) любую операцию, не включенную в данный стандарт или стандарты, на которые сделаны ссылки, а также любые случайности, которые могут влиять на результаты.

Электронный текст документаподготовлен ЗАО «Кодекс» и сверен по:официальное издание

М.: ИПК Издательство стандартов, 2004

Химия нефти

Поверхностное натяжение (в дин/см) растворов серной кислоты

Поверхностным натяжением называется термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз, определенная как работа обратимого изотермического образования единицы плошали этой поверхности. Для жидкости поверхностное натяжение рассматривается как сила, действующая на единицу длины контура поверхности и стремящаяся сократить поверхность до минимума при заданных объемах фаз.

Нефть — это нефтяная дисперсная система, состоящая из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Поверхность частицы дисперсной фазы (например, ассоциат асфальтенов, глобула воды и т. п.) обладает некоторым избытком свободной поверхностной энергии Fs, пропорциональной площади поверхности раздела фаз S:

Величина σ может рассматриваться не только как удельная поверхностная энергия, но и как сила, приложенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность, направленная вдоль этой поверхности перпендикулярно контуру и стремящаяся эту поверхность стянуть или уменьшить. Эта сила носит название поверхностного натяжения.

Действие поверхностного натяжения можно наглядно представить в виде совокупности сил, стягивающих края поверхности к центру.

Длина каждой стрелочки вектора отражает величину поверхностного натяжения, а расстояние между ними соответствует принятой единице длины контура поверхности. В качестве размерности величины σ в равной мере используются как [Дж/м2] = 103 [эрг/см2], так и [Н/м] = 103 [дин/см].

В результате действия сил поверхностного натяжения жидкость стремится сократить свою поверхность, и если влияние силы земного притяжения незначительно, жидкость принимает форму шара, имеющего минимальную поверхность на единицу объема.

Поверхностное натяжение различно для разных групп углеводородов — максимально для ароматических и минимально для парафиновых. С увеличением молекулярной массы углеводородов оно повышается.

Большинство гетероатомных соединений, обладая полярными свойствами, имеют поверхностное натяжение ниже, чем углеводороды. Это очень важно, поскольку их наличие играет значительную роль в образовании водонефтяных и газонефтяных эмульсий и в последующих процессах разрушения этих эмульсий.

Параметры влияющие на поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение существенно зависит от температуры и давления, а также от химического состава жидкости и соприкасающейся с ней фазы (газ или вода).

С повышением температуры поверхностное натяжение убывает и при критической температуре равно нулю. С увеличением давления поверхностное натяжение в системе газ — жидкость также снижается.

Поверхностное натяжение нефтепродуктов может быть найдено расчетным путем по уравнению:

или

Пересчет σ от одной температуры T0 к другой T можно проводить по соотношению:

Значения поверхностного натяжения для некоторых веществ.

Вещества, добавка которых к жидкости уменьшает ее поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Поверхностное натяжение нефти и нефтепродуктов зависит от количества присутствующих в них поверхностно-активных компонентов (смолистых веществ, нафтеновых и других органических кислот и т. п.).

Нефтепродукты с малым содержанием поверхностно-активных компонентов имеют наибольшее значение поверхностного натяжения на границе с водой, с большим содержанием — наименьшее.

Хорошо очищенные нефтепродукты имеют высокое поверхностное натяжение на границе с водой.

Понижение поверхностного натяжения объясняется адсорбцией ПАВ на границе раздела фаз.

С увеличением концентрации добавляемого ПАВ поверхностное натяжение жидкости сначала интенсивно снижается, а затем стабилизируется, что свидетельствует о полном насыщении поверхностного слоя молекулами ПАВ.

Природными поверхностно-активными веществами, резко изменяющими поверхностное натяжение нефтей и нефтепродуктов, являются спирты, фенолы, смолы, асфальтены, различные органические кислоты.

С поверхностными силами на границе раздела твердой и жидкой фаз связаны явления смачивания и капиллярные явления, на которых основаны процессы миграции нефти в пластах, подъем керосина и масла по фитилям ламп и масленок и т. д.

Экспериментальное определение поверхностного натяжения

Для экспериментального определения поверхностного натяжения нефтей и нефтепродуктов применяются различные методы.

Первый метод (а) основан на измерении силы, необходимой для отрыва кольца от поверхности раздела двух фаз. Эта сила пропорциональна удвоенной силе окружности кольца. При капиллярном методе (б) измеряют высоту подъема жидкости в капиллярной трубке.

Недостатком его является зависимость высоты подъема жидкости не только от величины поверхностного натяжения, но и от характера смачивания стенок капилляра исследуемой жидкостью. Более точной разновидностью капиллярного метода является метод висячей капли (в), основанный на измерении массы капли жидкости, отрывающейся от капилляра.

На результаты измерения влияют плотность жидкости и размеры капли и не влияет угол смачивания жидкостью твердой поверхности. Этот метод позволяет определять поверхностное натяжение в сосудах высокого давления.

Наиболее распространенным и удобным способом измерения поверхностного натяжения является способ наибольшего давления пузырьков или капель (г), что объясняется простотой конструкции, высокой точностью и независимостью определения от смачивания.

Этот способ основан на том, что при выдавливании пузырька воздуха или капли жидкости из узкого капилляра в другую жидкость поверхностное натяжение σ на границе с той жидкостью, в которую выпускается капля, пропорционально наибольшему давлению, необходимому для выдавливания капли.

Поверхностное натяжение о входит в выражение для так называемого парахора П — величины, связывающей молекулярную массу М углеводородов и плотность их в жидкой фазе ρж и в парах ρп:

Парахор углеводородов зависит от структуры их молекул: с увеличением числа боковых цепей, двойных связей, ароматических и нафтеновых циклов величина парахора уменьшается. При одинаковой температуре кипения углеводородов парахор уменьшается в следующем порядке: парафины — олефины — нафтены — ароматические углеводороды.