Szerkesztő:Valkais/Wilhelmy-lemez módszer

 

Felületi feszültség mérése a Wilhelmy-lemez módszerrel. Kékkel a vizsgált folyadék, fehérrel a belemerített lemez látható. Az ábrán a lemezre ható, pirossal jelölt F kapilláris erő nagysága arányos a lemez $l$ nedvesített kerületével ($l=2w+2d$) és a $\gamma$ a felületi feszültséggel.

A Wilhelmy-lemez egy téglalap alakú, vékony, síklap, amelyet az egyensúlyi felületi- vagy határfelületi feszültség mérésére használnak a levegő-folyadék vagy a folyadék-folyadék határfelületen. A Wilhelmy-módszer alkalmazásakor ezt a lemezt a határfelületre merőlegesre állítjuk és megmérjük a rá ható erőt. A Ludwig Wilhelmy kutatásaira alapuló a módszert széles körben alkalmazzák a Langmuir-filmek készítésénél és ellenőrzésénél.

Részletes leírás

A Wilhelmy-lemez egy vékony lemezből áll, amelynek területe általában néhány négyzetcentiméter. A lemez gyakran szűrőpapírból, üvegből vagy platinából készül, amely érdesíthető a teljes nedvesítés érdekében. A mérés eredménye nem függ a lemez anyagától, ha azt nedvesíti a folyadék. A lemezt alaposan megtisztítjuk, és vékony fémhuzallal a mérleghez rögzítjük. A nedvesedés következtében a lemezre ható erőt tenziométerrel vagy mikromérleggel mérik, és a felületi feszültség ($\gamma$) meghatározására használják, a Wilhelmy-egyenlet segítségével:

$\gamma ={\frac {F}{l\cos(\theta )}}$

ahol $l$ a nedvesített kerület ($2w+2d$), $w$ a lemez szélessége, $d$ a lemez vastagsága, és $\theta$ a folyadék és a lemez illeszkedési szöge. A gyakorlatban ezt a szöget ritkán mérik; ehelyett vagy publikált, mások által meghatározott értékeket használnak, vagy teljes nedvesítést ($\theta =0$) feltételeznek.

Általában a felületi feszültség nagy érzékenységgel mérhető nagyon vékony, (0,1mm - 0,002mm vastagságú) lemezekkel. A készüléket tiszta folyadékokkal, például vízzel és etanollal kalibrálták. A felhajtóerő minimálisra csökkenthető vékony lemez használatával, amelynek a lehető legrövidebb részét merítik a folyadékba minimalizálva ezzel a bemerített térfogatot.

Ha maximális pontosságra törekszünk, figyelembe kell venni a minimalizált hatásokat is. Ilyenkor a lemezre ható erő:

${\textstyle F=F_{g}-F_{b}+2(w+d)\gamma cos(\theta )}$

Ahol $F_{g}$ a lemez és azt tartó drót teljes súlya, $F_{b}$ a lemezre a folyadékban ható felhajtóerő, $w$ a lemez szélessége, $d$ a lemez vastagsága, $\gamma$ a folyadék-levegő felületi feszültsége, $\theta$ pedig a folyadék illeszkedési szöge.

A mérőrendszer kalibrálásához tiszta vízbe merített platinalemezt használnak. Ehhez a kereskedelemben erre a célra kapható platinalemezeket használnak, amelyek felületét érdesítették a minél jobb nedvesíthetőség érdekében.

Előnyök és rövid összefoglaló

Ha teljes nedvesedést feltételezünk (illeszkedési szög = 0), a Wilhelmy-lemez használatakor nincs szükség korrekciós tényezőkre a felületi feszültségek kiszámításához, nem úgy, mint a du Noüy-gyűrű módszer esetében. Mivel mérés közben a lemezt nem mozdítják el, a Wilhelmy-lemez módszere lehetővé teszi a felületi kinetika pontos meghatározását széles időskálán, jól reprodukálhatóan, kis hibával. Általában, méréskor a lemezt ráengedik az vizsgált folyadékfelületre, amíg az fel nem mászik rá (meniszkusz keletkezik) majd felemeljük úgy, hogy a lemez alsó széle a zavartalan távolabbi, vízszintes folyadékfelület felület síkjába (magasságába) kerüljön. Ha egy két, egymással nem keveredő folyadék határfelületén mérünk, a felső (kisebb sűrűségű) folyadékot a zavartalan a nagyobb sűrűségű folyadék tetejére juttatják úgy, hogy ne zavarja a meniszkuszt. Az ilyenkor kilaakuló egyensúly esetén mérhető egyensúlyi erő felhasználható az abszolút felületi- vagy határfelületi feszültség meghatározására. A lemez nagy nedvesített felülete miatt a mérést kevesebb hiba terheli, mint egy kicsi nedvesített felülettel végrehajtott mérést. A módszert számos nemzetközi mérési szabványban is szerepel.

Jegyzetek

[[Kategória:Anyagtudomány]] [[Kategória:Laboratóriumi eszközök]]