Поверхностно-инактивными называются вещества, которые увеличивают поверхностное натяжение раствора. По отношению к воде такими веществами являются кислоты, щелочи и соли. Большой объем известных литературных данных посвящен определению поверхностного натяжения водных растворов солей хлоридов щелочных металлов. Однако эти данные получены в небольшом интервале температур и концентраций раствора [1]. Также отмечалось, что при увеличении количества соли в растворе на границе с воздухом происходит близкое к линейному возрастание поверхностного натяжения, но опыт показывает, что связь является более сложной [2]. Методом капиллярного поднятия было установлено наличие минимума на изотерме поверхностного натяжения в области низких концентраций для нескольких водно-солевых систем (эффект Джонса – Рэя), в том числе и для раствора поваренной соли [3]. В настоящее время предполагается, что этот эффект может быть связан с методикой измерения поверхностного натяжения.

В работе [4] на основании анализа опытных данных делается вывод, что с увеличением температуры раствора поверхностное натяжение уменьшается. Причем для водного раствора хлорида натрия с концентрацией 20 % эта зависимость оказалась линейной [5]. Для проведения опытных исследований обычно использовались различные классические методы: метод максимального давления в пузырьке, метод капиллярного поднятия, капельный метод, анализ оптического изображения сидящей на подложке капли и другие [6]. Таким образом, для более глубокого понимания механизма поверхностного натяжения важны экспериментальные исследования поверхностных явлений в водно-солевых системах, выполненные с помощью более чувствительных экспериментальных методов. В данной работе опытным путем была изучена зависимость поверхностного натяжения водного раствора хлорида натрия на границе с воздухом от концентрации соли и температуры раствора методом вращающейся капли [7]. Этот метод был ранее использован для определения межфазного натяжения на границе жидкость–жидкость [8].

Для проведения опытных исследований использовался тензиометр SDТ фирмы KRUSS, возможности которого позволяют проводить определение поверхностного натяжения на границе газ–жидкость и жидкость–жидкость с очень высокой степенью точности. С помощью тензиометра SDT можно теоретически измерить межфазное натяжение в интервале от 10–6 до 2000 мН/м, однако реальный диапазон и точность измерения могут быть ограничены свойствами конкретного образца. Экспериментальная установка состоит из монитора 1, главной консоли 2, системного блока 3 и термостата 4 (рис. 1).

На главной консоли (рис. 2) расположены измерительная ячейка 1, дисплей 2 и ручки управления 3.

В измерительной ячейке размещаются капилляр с исследуемым образцом и видеокамера контроля диаметра пузырька воздуха. Дисплей панели управления используется для вывода информации и ее контроля. Ручки и кнопки консоли применяются для базовых настроек скорости вращения, температуры раствора и подсветки капилляра.

В измерительной установке для создания необходимой температуры капилляра используется циркуляционный термостат KISS K6. С помощью термостата можно поддерживать температуру образца в интервале от 0 до 100 °C с точностью ± 1 °C.

Тензиометр SDТ позволяет измерять межфазное натяжение на границе воздух – водный раствор соли. Для этого горизонтальный капилляр заполняется раствором, а пузырек воздуха вводится в него с помощью шприца. Капилляр помещается в рабочую кювету и вращается в ней. Межфазное натяжение коррелируется с диаметром или кривизной пузырька, который вытягивается в цилиндр под действием центробежных сил. Обработка результатов производится с помощью специальной программы системного блока. Программа ADVANCE выполняет анализ изображения (рис. 3) по функции приближения Воннегута и, определяя скорость вращения и температуру образца, производит расчет коэффициента поверхностного натяжения.

На рис. 4 представлена зависимость коэффициента поверхностного натяжения (изотерма) на границе водный раствор хлорида натрия – воздух от концентрации соли при температуре 20 °C.

Для приготовления исследуемого раствора использовались дистиллированная вода и пищевая поваренная соль (массовая доля хлорида натрия не менее 99,7 %). Для экспериментальных исследований были подготовлены растворы с концентрацией соли до 25 %, т. к. уже при 26 % наблюдалось выпадение в растворе осадка. Точность приготовления концентрации раствора составляла ± 0,1 %. Значение коэффициента поверхностного натяжения определялось с точностью ± 0,1 мН/м.

Опытные результаты сравнивались с известными данными [9], полученными при небольших концентрациях раствора (5 и 10 %) и температуре 20 °C. Анализ изотермы показывает, что при увеличении концентрации соли в растворе поверхностное натяжение увеличивается, при этом увеличение является нелинейным и наличие минимума на изотерме (эффект Джонса – Рэя) не наблюдается. При малых значениях концентрации (до 10 %) увеличение поверхностного натяжения небольшое и немного отличается (меньше) от литературных данных.

На рис. 5 представлены результаты температурных исследований поверхностного натяжения при концентрации раствора С = 20 %.

Анализ данных показывает, что при увеличении температуры раствора коэффициент поверхностного натяжения линейно уменьшается, что подтверждает выводы работы [5]. Наблюдаемая разница в результатах (рис. 4 и 5) может быть связана с величиной массовой доли хлорида натрия в поваренной соли, используемой в эксперименте, а также с применяемой в данной работе методикой определения поверхностного натяжения.

На рис. 6 представлены результаты температурных исследований поверхностного натяжения при различных значениях концентрации раствора.

Зависимость 3 на рис. 6 получена для чистой воды. Для нее определен температурный коэффициент поверхностного натяжения α = 0,16 мН/(м×К). Экспериментальные результаты для воды совпадают с табличными данными [9]. Анализ опытных зависимостей для разных концентраций водного раствора хлорида натрия показывает, что с увеличением температуры раствора поверхностное натяжение линейно уменьшается с температурным коэффициентом, равным α = 0,18 мН/(м×К). Причем величина коэффициента не зависит от концентрации раствора. Уменьшение поверхностного натяжения связано с тем, что с ростом температуры увеличивается интенсивность теплового движения молекул жидкости и в результате ослабляется межмолекулярное взаимодействие. В настоящее время не существует универсальной модели поверхностного натяжения жидкостей, которая позволила бы количественно объяснить экспериментальные результаты [10].

В природе и технике чрезвычайно распространены разнообразные поверхностные явления. Их изучение важно для более глубокого понимания различных физико-химических процессов и решения многих научных и инженерных задач в области физики, биологии, медицины, химии, а также при исследовании атмосферных явлений [1]. В связи с этим актуальным направлением является изучение поверхностных свойств воды и водных растворов солей. Результаты данного исследования имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. Полученные в работе данные по поверхностному натяжению водного раствора хлорида натрия в широком интервале концентрации при различных температурах могут служить справочным материалом при проведении различных технологических расчетов, а также в ходе анализа процессов разделения и очистки жидких смесей [5]. Кроме этого, водные растворы хлорида натрия являются основными объектами при экспериментальных исследованиях структуры и термодинамических свойств водных растворов электролитов [3].