Тезисы
апрель 2017

Конструкция ячейки для измерения влияния электрических полей на поверхностное натяжение и вязкость жидкостей


Бондарь Д. В.
Химия и современные технологии
Abstract / Full Text

Несмотря на широкий круг исследований жидких сред, вопросы изменения их свойств и структуры под влиянием внешних воздействий остаются предметом многочисленных теоретических и экспериментальных работ. В последнее время особое внимание уделяется изучению процессов, протекающих на поверхности раздела фаз жидкость/газ, и влиянию на них электрических полей.

Зачастую при исследовании поверхностных эффектов обычно не учитывается конечная поверхностная проводимость, а также изменение коэффициента поверхностного натяжения под влиянием электрического поля. Тем не менее, оба эти аспекта играют существенную роль.

Так, поверхностный слой водных электролитов на границе с воздухом имеет электропроводность на 8 порядков превышающую данный параметр в объёме раствора. Следует отметить, что подобного рода явление с тем же порядком изменения величин наблюдается и на поверхности раздела фаз лёд/воздух, где вероятно из-за наличия квазижидкого слоя, структура которого соответствует строению поверхностного слоя границы вода/воздух, происходят аналогичные процессы.

Хорошо изучено и влияние электрических полей на величину поверхностного напряжения расплавов и сжиженных газов. В обоих случаях при напряженностях электрического поля порядка 104-106 В/м происходит уменьшение поверхностного натяжения. Данный эффект объясняется перераспределением ионов и диполей в поверхностных слоях, а также возникновением пондеромоторных сил.

В настоящее время влияние электрических полей на величину поверхностного напряжения водных растворов, углеводородов и прочих полярных и неполярных жидкостей на границе с воздухом изучено гораздо слабее. В общих случаях, в частности для водных растворов, помимо ионных и дипольных эффектов необходимо учитывать диссоциацию молекул воды и влияние электрических полей на водородные связи. Последние, по всей видимости, усиливаются в электрическом поле, образуя на границе с воздухом более прочные поверхностные структуры, затрудняя сорбцию ионов в прилегающих слоях, и тем самым внося дополнительный вклад в изменение величины поверхностного натяжения.

Для изучения поверхностных эффектов в водных растворах и прочих жидкостях предлагается использование электрохимической ячейки с переменной толщиной. Конструкция ячейки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Конструкция ячейки для измерения влияния электрических полей на поверхностное натяжение и вязкость жидкостей. 1 – электроды; 2 – профиль мениска жидкости.

Высота мениска жидкости в ячейке увеличивается по мере утоньшения толщины ячейки, а её значение определяется по формуле:

,

где:  – коэффициент поверхностного натяжения жидкости;  – угол смачивания жидкостью стенки;  – ускорение свободного падения;  и  – плотность жидкой и газовой фазы соответственно;  – расстояние между стенками ячейки.

В момент проведения электролиза по форме и величине изменения высоты мениска можно оценить влияние касательного электрического поля на коэффициент поверхностного натяжения различных жидкостей.

Поскольку ячейка выдает целый ряд легко фиксируемых величин (геометрия профиля мениска), в ней можно изучать влияние сразу нескольких параметров одновременно на множество искомых величин. Например, при осуществлении протока из одной камеры ячейки в другую по профилю мениска можно одновременно оценить влияние электрического поля и скорости протока на поверхностное натяжение, вязкость, скорость диффузии, а также объёмную и поверхностную электропроводности исследуемой жидкости.