Методи вимірювання крайового кута змочування
Крайовий кут змочування знаходять, по основних розмірах крапель ріди-ни, що наноситься на тверду поверхню: висоті h та ширині (діаметру) d рис. 4.
Значення соs Q розраховують за формулою
Рис. 4. Геометричні розміри крапель рідини
Для випадку коли d/2<h можна використовувати спрощену формулу для розрахунку cos Q
Параметри краплі h і d вимірюють за допомогою спеціальної установки основним вимірювальним приладом якої є катетометр (типу КМ-6). До складу установки входить вимірювальна чарунка і освітлювальний пристрій для забезпечення контрастності зображення краплі. Для точних вимірювань користуються вимірювальною чарункою яка забезпечує сталість об’єму краплі. Схему спрощеної лабораторної установки наведено на рис. 5.
Рис. 5. Схема установки для вимірювання крайового кута змочування:
1 – станина; 2 – проекційна лампа; 3 – предметний столик; 4 скляна пластинка; 5 – досліджувана крапля; 6 – конденсор, 7 – екран; 8 міліметровий папір
Обладнання та матеріали
Установка для визначення розмірів крапель методом проектування на екран. Парафін. 4 – 5 скляних пластинки. Піпетки об’ємом 1, 5, та 10 мл. Мірна колба об’ємом 50 мл. 8-10 штук плоскодонних чи конічних колб об’ємом 50 мл. Фільтрувальний папір. Міліметровий папір. Олівець.
Хід роботи
Парафін поміщають в хімічний термостійкий стакан, ставлять на азбесто-вий папір над полум’я газової горілки і розтоплюють. В розтоплений до достат-ньо рідкого стану парафін занурюють скляну пластинку і виймають її давши після цього охолонути. Парафінове покриття на пластинці повинно бути рівно-мірним.
Готують 50 мл вихідного водного розчину ПАР (ПАР і його концентрацію задає викладач). Методом розведення (кратність 1:2) готують 8 – 10 розчинів з різною концентрацією ПАР. Парафіновану скляну пластинку встановлюють на предметний столик установки для дослідження крайового кута змочування. На поверхню скляної пластинки на відстані 1 см одна від одної з допомогою мікропіпетки акуратно по черзі наносять по 3 краплі води. За допомогою освітлювача й оптичної системи добиваються чіткої проекції краплі на екрані. Контури збільшеного зображення краплі акуратно обводять олівцем на мілі-метровому папері. Те саме повторюють з кожною із трьох крапель. Після пере-несення контурів, краплі рідини струшують із пластинки. Аналогічні операції проводять із усіма досліджуваними розчинами ПАР. Після одержання проекцій крапель всіх розчинів ПАР, визначають геометричні розміри крапель, тобто ширину d і висоту h і записують в таблицю. Результати трьох паралельних ви-мірів усереднюють. Дані заносять в таблицю.
Таблиця
Результати вимірювання значень крайового кута змочування
| № колб із розчинами ПАР | |||||||||
| Концентрація розчинів, % | |||||||||
Концентрація розчинів, моль/л  | |||||||||
| Значення ширини краплі d, мм | |||||||||
Середнє значення ширини краплі  , мм | |||||||||
 | |||||||||
| Значення висоти краплі h, мм | |||||||||
Середнє значення висоти краплі  , мм | |||||||||
 | |||||||||
| - | |||||||||
| + | |||||||||
| Обчислене значення соsQ |
Звіт про лабораторну роботу повинен містити короткі теоретичні відо-мості, методичну частину, міліметровку із нанесеними на ній проекціями кра-пель, приклади обчислень, розрахунків, та висновки. Експериментальні дані наводять у вигляді таблиці та графіка.
Завдання 1. Визначити крайові кути змочування парафінованої скляної поверхні розчинами молекулярних ПАР (пропанол, ізопропанол, бутанол) за вказівкою викладача. Побудувати графік залежності cos Q від концентрації ПАР. На основі отриманих результатів зробити висновок про особливості впли-ву концентрації ПАР на значення соs Q і на процес змочування в цілому.
Завдання 2. Розтопити стеаринову кислоту і налити шаром 0.5 см в склянку з горячою дистильованою водою (90 оС). Дати системі поступово охо-лонути в спокійному стані. Коли температура в склянці стане кімнатною, аку-ратно зняти твердий шар стеаринової кислоти і за методикою описаною вище визначити крайовий кут змочування з боку, що був на воді і з боку, що був повернутий до повітря. Порівняти ці значення і зробити висновок.
Для підготовки до виконання роботи познайомтеся із задачами із відповідного розділу с.____________- [8].
Контрольні запитання
1. Дайте визначення явища змочування.
2. Поясніть суть явища розтікання рідин по твердій поверхні.
3. Зобразіть схематично різні випадки змочування.
4. Яким критерієм оцінюють здатність рідин до змочування поверхонь?
5. Розкажіть про теплоту змочування.
6. Дайте визначення поняття крайового кута змочування.
7. Який вигляд має залежність cos Q=f(C)?
8. Прокоментуйте рівняння Юнга.
9. Які випадки мають місце при контакті твердих поверхонь із рідинами?
10. Як за допомогою ПАР можна керувати властивостями поверхні твердо-го тіла ?
11. Що таке робота адгезії? Запишіть вираз для визначення роботи адгезії.
12. Що таке робота когезії? Запишіть вираз для визначення роботи когезії.
13. Наведіть приклади використання явища змочування.
14. Що таке флотація і яка буває флотація?
15. Що є необхідною умовою здійснення флотаційного процесу?
16. Які ви знаєте методи вимірювання крайового кута змочування?
17. Як обчислити значення косинуса крайового кута змочування?
18. Опишіть установку для вимірювання крайового кута змочування.
19. Розкажіть хід роботи.
Рекомендована література
1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М:. Химия. 1975. С. 137-153.
2. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М:. Изд-во Моск. ун-та, 1982. 348 с.
3. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М:. Мир., 1979. С. 308-335.
4. Фридрихсберг Д.А. Курс колоидной химии. Л:. Химия, 1974. 351 с.
5. Фролов Ю.Г. Курс колоидной химии. М:. Химия, 1982. 400 с.
6. Путилова И.Н. Руководство к практическим занятиям по колоидной химии /М:.-Л:. Госхимиздат. 1948. С. 107-109.
7. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. Под ред. Ю.Г. Фролова и А.С. Гродского. М:. Химия, 1989. С. 37-43.
8. Рaсчеты и задачи по коллоидной химии. М: Высшая школа, 1989. 288 с.
9. Ковальчук Є.П., Яцишин М.М., Ковалишин Я.С. Речовина в інтерфазі. ЛНУ. 2005. 222 с.
Історично флотація як процес розділення мінеральних компонентів від пустої природи бере свій початок десь з 1920 року. Спочатку процес проводився в присутності жирів або масел. Пізніше масляна флотація була замінена так званою пінною флотацією. При використанні пінної флотації до пульпи (дрібнодисперсної водної суміші мінеральної руди) додають невелику кількість масла і вспінюють, перемішуючи її або пробулькуючи через неї пухирці повітря. Часточки мінералів концентруються в утвореній піні, яку постійно чи періодично знімають за допомогою спеціальних пристроїв.
Для цих цілей в промисловості випускається багато різних добавок, які адсорбуючись на мінеральних часточках змінюють крайовий кут в бажаному напрямку. До таких добавок відносяться колектори, активатори підсилюючі дію колектора; дипресанти, що селективно пригнічують дію колектора, і піноутворювачі, сприяючі утворенню піни.
Однак, як правило, дія піноутворювача і колектора не є незалежною одна від одної. Роль піноутворювача зводиться до стабілізації контакту між час-точкою і пухирцем, а сама по собі його здатність до утворення піни має друго-рядну роль. Окрім того, мінералізовані пухирці самі дають стійкі пінні системи. При флотації нерудних матеріалів наприклад солей хлориду калію, і нероз-чинних оксидів, наприклад кварцу чи оксиду заліза. В таких випадках важливу роль в адсорбції колектора відіграють і інші фактори. Прикладом може служити флотаційне відділення сільвіна (КCl) від галіту (NaCl) в насичених розчинах за допомогою довголанцюгових амінів, наприклад солі додециламо-нію. Дуже дивним є те, що дві дуже подібні солі розділюються таким простим реагентом. Це можна пояснити тим, що розмір іона R-NH3+ дозволяє йому входити у вакансію К+, але не дозволяє витісняти іон Na+. Таким чином, міцну адсорбцію амінів на сільвіні можна розглядати як свого роду ізоморфний поверхневий натяг.
Флотація нерозчинних мінеральних оксидів краще всього пояснюється на основі теорії подвійного електричного шару. В цьому випадку потенціал по-верхні мінералу має таке ж важливе значення, як і специфічна хімічна взає-модія. Потенціал-визначаючим іоном для оксидів є іон водню, причому рН точки нульового заряду сильно залежить від природи поверхні самого оксиду.
Молекули колектора, адсорбованого на оксиді, очевидно, розташовують-ся в штернівському шарі, тобто адсорбція спричинює зменшення x-потенціа-лу. При високих ступенях заповнення поверхні колектора x-потенціал може на-віть перевертатись (змінювати знак на протилежний). Це може служити під-твердженням, що в таких системах хімічні сили по меншій мірі співмірні з електростатичними.
Адсорбцію колектора можна підсилювати або ослаблювати вводячи в систему багатозарядні іони, що сприяють адсорбції або пригнічують її.
Процес ведуть в спеціальних „машинах”, що є великими горизонталь-ними посудинами із водою, що енергійно перемішується шнековими мішалка-ми і постійним продуванням повітря знизу. До сировини – пульпи додають різні добавки – реагенти – збирачі або колектори. Їхня роль полягає у вибір-ковій адсорбції не поверхні частинок мінералу і підвищенні їх гідрофобності. Інколи вони можуть змочувати частинки тонкою плівкою ізолюючи їх тим самим від води. Це призводить до зменшення змочування водою таких частинок завдяки чому вони прилипають до повітряних пухирців і спливають разом із ними на поверхню води. Частинки пустої породи, наприклад кварцит, добре змочується водою і вивантажується із флотаційної машини в нижній її частині. Окрім колекторів при флотації використовують піноутворювачі і регулятори. Роль піноутворювачів полягає в збільшенні поверхні розділу роз-чин газ, що в свою чергу сприяє кращій флотації.
Флотацією переробляють – збагачують сульфідні, нікеле- і золотоносні руди, кальцит, флюорит, барит (сульфат барію), шеєліт (вольфрамат кальцію), карбонат і оксид марганцю, оксиди заліза, гранатові породи, титан, оксиди кремнію і сілікати, вугілля, графіт, сірку і деякі розчинні солі, наприклад силь-вініт (хлорид калію).