Способ измерения межфазного и поверхностного потенциала жидкостей и устройство для его осуществления

 

1. Способ измерения межфазного и поверхностного потенцисша жидцсостей путем компенсации скачка потенциала в злектрическо л конденсаторе с периодически меняющейся емкостью, образованном нэмернтельным злектродом и поверхностью исследуемой проводящей ЖИДКОСТИ, и контроля компенсации по отсутствию тока, отличающийся тем, что, с целью повьшеиия точности измерения, для периодического измерения емкости коиденс ора создаиот линейные капиллярные вол- Щ ны при отношении ширины электрода и длины волны А«:0,1-0,5. QD СО СО

СОНИ СОЕЕТСКИХ

° 03NI®

PECAVSJNH

ЮСУДАРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТ COOP

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЮ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н авт снамм. саидатвъачвм

3 G 01 N 27Лг (21 J 3337633/18=25 (22) 15. 09.81 . (46) 15.05.83.Бюл. 9 18 (72) Б.A.Íîñêîâ, Н.Н.Кочурова и А.И.Русанов (71) Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им.A.A.

Жданова (53) 532.614.2 -(088.8) . (56) (. test.a М.,Ве1пй 1..-, Solidi 5. "ТЬе расезмевпжей of зяб fmce pocenciest Ьм

Ц ! loni Y3iog ай. etecti oh% .— EQecC>p g.

1СЬета . 76, а 229, 497Ü.

2. Фольхардт Д.Ф., Вюстник Р.

Характеристики ионизационного и компенсационного метода измерения поверхностного потенциала растворов.-ПАВ, 36; с.1116, 1974, (прототип) .

SU„„1017999 А,(54) СПОСОБ ИЗИЕРЕЫИЯ ИЕЖФАЭНОГО

И ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА ЖИДКОСTRH И УСТРОЯСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ е (57) 1. Способ измерения меафазного .и поверхностного потенциала иидкостей путем компенсации скачка потенциала в электрическом конденсаторе с периодически меняющейся емкостью, образованном измерительным электродом и поверхностью исследуемой проводящей иидкости, и контроля компенсации но отсутствию тока, о т л и ч а ю -. шийся тем, что, с целью повъыения точности измерения, для периодического измерения емкости конденсато ра создают линейные капнллярные вол- I ны при отношении ширины электрода и длины волны А 0,1-0,5.

1 017999

2. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее измерительный и вспомогательный электроды, электрически соединенные между собой через потенциометр и нульинструмент, и электродинамический вибратор, питающийся от генератора синусоидального переменного напряг

Изобретение относится к исследованию физико-химических межфазных и поверхностных свойств жидкостей, точнее к измерению электрических поверхностных и межфазных потенциалов..

Известен способ измерения поверхностного потенциала, основанного на измерении контактной разности потенци. алов путем создания в цепи электры ческого, тока. Ток, создают ионизи,руя непроводящую фазу в пространстве между металлическим измерительным электродом и исследуемой проводящей фазой с помощью радиоактивного вещества $1 ).

Устройство для осуществления этого способа содержит измерительный электрод с радиоактивным изотопом и вспомогательный электрод, находящийся в проводящей фазе и соединенный с первым электродом через электрометр. Ж

Недостаток этого способа и соответствующего ему устройства заключается в низкой точности измерения, что главным образом связано с изменениями скачка потенциала на границе 25 измерительного электрода с окружающей фазой в процессе измерения, а так же с влиянием ионизации на величину измеряемого потенциала.

Наиболее .близким к изобретению яв- 30 ляется способ измерения межфазного и поверхностного потенциала жидкостей путем компенсации скачка потенциала в электрическом конденсаторе с периодически меняющейся емкостью, об- З5 разованном измерительным электродом и поверхностью исследуемой проводящей жидкости и контроля компенсации по отсутствию тока. Металлический электрод, находящийся в непроводящей фазе, приводят в колебательное движе- 4О ние перпендикулярно исследуемой границе раздела фаз. При этом емкость конденсатора, образованного металли- ческим электродом и исследуемой фазовой границей, периодически меняет- 45 ся, что приводит к возникновению -переменного тока, пропорционального скачку потенциала в непроводящей фазе. Компенсируя этот скачок потенциала, добиваются отсутствия тока в жения низкой частоты, о т л и ч а ющ е е с я тем, что в него введен генератор капиллярных волн, механически связанный с электродинамическим вибратором, а измерительный электрод установлен неподвижно и перпендикулярно направлению распространения капиллярных волн. цепи. Меняя одну из исследуемых жидкостей или ее свойства, определяют относительные изменения поверхностного или межфазного потенциала, равные по абсолютной величине изменениям контактного потенциала(2 ).

Устройство для реализации этого способа содержит измерительный и вспомогательный электроды, электрически соединенные между собой через потенциометр и нуль-инструмент, электрвдинамический вибратор, питающийся от генератора синусоидального напряжения низкой частоты.

Однако конвективное движение в непроводящей фазе, возникающее в результате колебаний электрода, приво-." дит к.ускорению физико-химических процессов, дестабилизирующих поверхностный потенциал этого электрода, что существенно понижает точность измерений. Кроме того, этот способ и соответствующее ему устройство характеризуются трудно оцениваемыми деформациями исследуемой границы, возникающими из-за колебаний электрода и приводящими к ошибкам измерений.

Цель изобретения — повышение точности измерения. . Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения межфаэного и поверхностного потенциала жидкостей путем компенсации скачка потенциала в электрическом конденсаторе с периодически меняющейся емкостью, образованном измерительным электродом и поверхностью исследуемой проводящей жидкости, и контроля компен- . сации по отсутствию тока, для периодического изменения емкости конденсатора создают линейные капиллярные волны при о ношении ширины электрода и длины волны A 0,1-0,5.

Капиллярные волны представляют собой одну из форм волнового движения, их характеристики зависят от межфазных или поверхностных свойств жидкостей, однако последние определяют только соотношение между частотой и длиной волны (дисперсионное соотношение ), т.е кобая из этих величин может изменяться в соответствии

1017999

0,01 М КС1, У, мв

352,5

474,5

351 5

0 01 М С5Н ф>Н

472,0 с требованиями проводимых измерений.

Поскольку амплитуда волн мала и источник капиллярных волн располагается на расстоянии от измерительного электрода, то малая вынужденная кон.векция и деформация исследуемой.фа- 5 зовой границы практически не влияют на физико-химические свойства исследуемой границы и поверхности электрода.

В устройство .для осуществления ц} способа, включающее измерительный и вспомогательный электроды, электрически соединенные между собой через потенциометр- и нуль-инструмент, электродинамический вибратор, питающийся от генератора синусоидального переменного напряжения низкой частоты, дополнительно введен генератор капиллярных волн, механически связанный с электродинамическим вибратором, а измерительный электрод ус- 2О тановлен неподвижно и.перпендикулярно направлению распространения капиллярных волн.

Если отношение ширины электрода к длине волны больше 0,5, то емкость 25 конденсатора практически не меняется и в измерительной цепи не возникает переменный ток. Если это отношение меньше (примерно 0,1 ), то емкость оказывается слишком малой генерации 3Q тока, достаточного для точной компенсации скачка потенциала в непроводящей фазе-.

Генератором капиллярных волн может служить стеклянная пластина, рас- З5 положенная перпендикулярно исследуемой фазовой границе и прикрепленная с помощью твердого стержня .к движущейся части механического вибратора, или тонкий круглый стеклянный стер- 40 жень, находящийся в плоскости иссле дуемой границы и прикрепленный к твердому стержню перпендикулярно .его оси.

На фиг.1 представлена принципиаль-45 ная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на. фиг.2генератор капиллярных волн.

В проводящей фазе находится вспомогательный хлорсеребряный электрод 1.5О

В непроводящую фазу у исследуемой границы помещен измерительный электрод 2, соединенный с потенциометром

3, вспомогательным электродом 1 и нуль-инструментом, состоящим из усилителя переменного тока 4 и осциллографа 5. Линейные капиллярные волИсследуемые растворы и определяемые величины ны создаются перемещающимся генера- тором б, выполненным в виде верти- кальной пластинки н приводящимся в движение электродинамическим вибратором 7, подключенным к генератору переменного тока 8. Электрод 2 представляет собой прямоугольную медную пластину 2 х 20 мм, находящуюся на расстоянии 10-20 мм от генератора 6 и примерно 0,1 мм от исследуемой фазовой границы.

Генератор 9 капиллярных волн (фиг.2) выполнен в виде стеклянного стержня диаметром 1 мм с отогнутыми концами, которые приклее М к более толстому стержню 10, связанному с подвижной частью электродинамичес-. кого вибратора 7. Средняя прямая часть стеклянного стержня находится в плоскости исследуемой фазовой границы.

Устройство работает следующим об" разом.

С помощью генератора б:или 9 создаются линейные капиллярные волны с частотой 60 Гц и длиной волны 5 @вы.

Генератор б или 9 волн ориентируется параллельно электроду 2. В цепи возникает переменный ток, регистрируе-. мый осциллографом 5. Потенциомет ром 3 компенсируется скачок потенциала в непроводящей фазе. В момент компенсации сигнал на осциллографе минимален.

Пример. В измерительную кювету заливают 0,01 М раствор КС1 и над его поверхностью неподвижно устанавливают измерительный электрод.

Генератор капиллярных волн приводят в соприкосновение с поверхностью раствора КС1 и ориентируют его так, чтобы направление распространения капиллярных волн было перпендикулярно измерительному электроду. Еомценсируют контактный потенциал потенциометром, определяя момент компенсации по минимуму -тока в измерительной цепи. сомпенсационные потенциалы длипяти измерений представлены в первой строке таблицы (Ч ). Эатем в кювету заливают исследуемый раствор (0,01 м раствор изоамилового спирта в 0,01 М KC1 ) и все приведенные операции повторяют. Результаты Измерений представлены во второй строке таблицы (Ч ). Вычисляя разность определяют поверхностный потенциал

Х=Ч - Ч„ (третья строка таблицы).

352,0 352 0 352,3

473,0 474,5 474,0

1017999

ПРодолжение таблицы

122, 0

120, 5

237

234

Исследуемые растворы и определяемые величины

0,01 4 КС1, 1/ ма

Уг м гептан/О, 01 М КС1ДмБ

Как следует из таблицы, воспроиз водимость результатов измерений поверхностного потенциала раствора изоамилового спирта составляет 4 0,6 МВ.

Постоянное значение потенциала уС, танавливается также за более корот кий срок (2-3 мин) .

При опытной проверке производились также измерения контактного потенциала для межфаэной границы гептан/Q,01 М раствор КС1 (Ч ). После того, как измерительная кювета заполнялась последовательно обеими исследуемыми жидкостями, воспроизво-. дилась процедура измерений контактного потенциала, описанная выие. Как следует нз таблицы, воспроиэводимость результатов измерений составляет + 5 мВ, при этом не было обнаружено влияния электрокинетических явлений на измеряемый потенциал. 30

Для того, чтобы при распространении капиллярных волн емкость измерительного конденсатора периодически менялась и в цепи возникал электрический ток, необходимо, чтобы ширина 35 электрода не превосходила длины волны. i3 противном случае среднее расстояние между электродом и межфазной границей не меняется, емкость конденсатора оказывается постоянной и измерения потенциала невозможны.

Более того, при отношении ширины электрода к длине волны (A), меньшем, но близком к 1 амплитуда колебаний емкости конденсатора еще не достаточно велика, чтобы обеспечить 45 высокую точность метода. Как показывают результаты опытной проверки, только при A примерно меньшем 0,5 возможны точные измерения. Таким образом, везникает максимальное эна- 50 чение величины A.

С другой стороны, поскольку величина тока в цепи определяется емкостью измерительного конденсатора, соэ121,0 122,2 121,7

243 245 250! дание положительного эффекта повышение точности измерений ) связано с этой емкостью, т.е. с помощью конденсатора и расстоянием между. электро-. дом и межфазной границей. Оптимальная длина измерительного электрода и расстояние до межфаэной границы естественным образом определяются размерами кюветы и амплитудой колебаний межфаэной границы. Следовательно, ширина электрода оказывается параметром, определяющим чувствительность метода измерений, и поэтому не может быть слишком малой. Поскольку длина механически возбуждаемых капиллярных волн меняется в достаточно узких пределах (имеет порядок нескольких миллиметров, то отсюда- вытекает минимальное значение А, которое приближенно можно оценить как 0,1.

Любое отклонение положения электрода Ьт перпендикулярной ориентации приводит к уменьшению амплитуды колебаний емкости из-эа уменьшения амплитуды колебаний среднего (по длине электрода ) расстояния между электродом и межфазной.границей и, таким образом, к уменьшению чувствительности устройства. При неподвижном закреплении электрода уменьшается вынужденная конвекция и деформация исследуемой границы,и, таким образом, уменьшается влияние физикохимических процессов, дестабилиэирующих поверхностный потенциал.

Предложенные способ и устройство позволяют проводить более точные измерения межфазного и поверхностного электрического потенциала по сравнению с известными и могут найти применение при оценке чистоты поверхности жидкости, а также в лабораторных исследованиях растворов поверхностно-активных веществ, нерастворимых монослоев, модельных биологических систем.

-1017999

Составитель И. РогаЛь

Редактор М.Петрова . Темред G.èèãóíîâà Еорректор М.ИЗарсиаи. мюмююееюююю е ° фФВЮ

Заказ 3529/42 Тираж 873 Подниснов

8HHHIIH Государственного комитета СССР по делак изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раумская на0., д. 4/5

ЮЮ ЮЮЮЮ ЮЮЮЮЮЮЮ МЮ юлю 4вююююююа ю юЪвююююююеюе

Филиал НПП "Патент", .г. Ужгород, ул, Проектная, .4