ПЛОТНОСТЬ, ВЯЗКОСТЬ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЧЕТЫРЕХХЛОРИСТОГО УГЛЕРОДА И ЧЕТЫРЕХХЛОРИСТОГО ОЛОВА

Нисельсон Лев Александрович

Основатель ООО "ЛАНХИТ", профессор, доктор технических наук

П. Д. ПУГАЧЕВИЯ, Л. А. НИСЕЛЬСОН, Т. Д. СОКОЛОВА, H. C. АНУРОВ

     Плотность (ρ), вязкость (η) и поверхностное натяжение (σ) являются одними из основных макроскопических свойств жидкого состояния. Эти свойства определяют гидродинамику жидкости и процессы массообмена с ее участием. Отсюда следует большое значение надежных данных этих величин, желательно в наибольшем интервале температур, как для решения чисто теоретических вопросов жидкого состояния, так и для очень важных прикладных областей, связанных, например, с получением чистых металлов из химических соединений. В данной работе уделяется внимание более подробному описанию используемых методов измерения плотности, вязкости и поверхностного натяжения. Выбор ССl₄ как одного из объектов исследования объясняется тем, что для него имеется достаточное число согласующихся данных, которые могут служить определенным основанием для суждения о правильности выбранных нами методик измерения ρ, η и σ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

     Исходные материалы. Используемые в работе CСl₄ и SnCl₄ тщательно очищались ректификацией на эффективной колонке. Для исследований брались средние наиболее чистые фракции. Легко гидролизующееся четыреххлористое олово сохранялось в запаянных ампулах. 

Методика определения плотности

     Плотность определялась в запаянных кварцевых пикнометрах (рис. 1), поскольку измерения проводились в диапазоне температур, превышающих нормальную температуру кипения исследуемых жидкостей. Калибровка пикнометра проводилась по воде. Пикнометр 1 помещали в термостатирующуюся стеклянную рубашку 2, питаемую от ультратермостата Хенплера 5 (рис. 1). Объем пикнометра был около 20 см, диаметр капилляра ~ 2 мм. Температура измерялась нормальными паспортизованными термометрами с ценой деления 0,1°. Коэффициент объемного расширения кварца при расчета был принят равным 1,5- 10-6. Поправка на пары, заполняющие свободный объем, производилась после расчета их плотности по уравнению идеальных газов. Давление насыщенных паров для этого расчета определялось [1] по уравнениям:

CСl₄...lg p = –2400/T – 5,3 lg T + 23,6          (1)

SnCl₄...lg p = –1925/T + 7,865          (2)

     При измерении плотности учитывались меры предосторожности, рекомендуемые в работе [2]. Относительная ошибка ρплотности может быть оценена в 5⋅10^-2%.

Методика определения вязкости

     Вязкость хлоридов определялась в несколько измененном вискозиметре Мартина [3], изготовленном из молибденового стекла. Конструкция и принцип работы вискозиметра видны из рис. 2. Основное достоинство вискозиметра Мартина заключается в практической независимости высоты рабочего столба жидкости от температурного изменения ее объема. Приведение вискозиметра в исходное рабочее положение осуществляется простым его поворотом вокруг оси по часовой стрелке (рис. 2) на 360°.

     Особое внимание обращалось на заполнение вискозиметра. Чтобы полностью избежать попадания в вискозиметр взвешенных частиц и продуктов гидролиза хлорида, к вискозиметру припаивали ампулу, в которую после тщательной осушки прибора помещали хлорид. Всю систему откачивали до 30 — 50 мм рт. ст: и запаивали. Хлорид в количестве, несколько большем необходимого, осторожно перегоняли в вискозиметр, после чего избыток хлорида отгоняли обратно для удаления с ним следов гетероазеотропной воды. Последняя операция была особенно необходима при работе с четыреххлористым оловом. По окончании отгонки ампулу отпаивали от вискозиметра и прибор был готов к работе. Диаметр капилляра вискозиметра выбирали в пределах 0,3 — 0,5 мм; длина кашиллярной трубки 4 равнялась 180 мм. Рабочий объем жидкости между метками 2 (рис. 2) составлял около 5 мл. Время вытекания от 150 до 300 сек. Постоянные приборов устанавливали по воде. При измерении вязкости принимались все меры предосторожности, рекомендуемые в работах [4, 5].

Расчет вязкости производили по формуле:

η=c (ρ_ж–ρ_п)τ          (3)

где с — постоянная прибора; ρ_ж И ρ_п — плотность жидкости и пара при данной температуре;  τ — время истечения. Относительная ошибка при определении вязкости не превышала 0,2%.

 Методика определения поверхностного натяжения

     Измерения поверхностного натяжения хлоридов производили в усовершенствованном газовом приборе, сконструированном одним из нас ранее [6, 7], методом максимального давления в газовом пузырьке [8]. В этом приборе (рис. 1) не требовалось учитывать глубину погружения калибрированной трубки в исследуемую жидкость, величину капиллярного поднятия в резервуаре с жидкостью, а также изменение уровня жидкости, происходящее за счет вытеснения жидкости из калибрированной трубки. Прибор не требовал также отдельного манометра для измерения максимального давления в газовом пузырьке. Стеклянный прибор (рис. 1), тщательно вымытый и высушенный, подвергали термовакуумной обработке, отгоняли в него некоторое количество хлорида, заполняли сухим очищенным азотом и отпаивали от приспособлений, с помощью которых прибор заполняли жидкостью и газом. После этого измерительную часть прибора, обозначенную на рис. 3 пунктиром, помещали в воздушный термостат со смотровыми окнами и с помощью электрической печи 2 медленно повышали температуру газа в баллоне 1. Благодаря этому над поверхностью жидкости в манометрическом резервуаре 9 возникало избыточное давление, под действием которого жидкость из резервуара 9 по трубке 10 начинала поступать в резервуар 5. Одновременно с этим происходило вытеснение жидкости из калибрированной трубки 6 и на ее кончике; как только вся жидкость оказывалась вытесненной, начиналось формирование газового пузырька. По достижении максимального давления газовый пузырек срывался с кончика трубки и вслед за этим через трубку продавливалась еще серия пузырьков. Это приводило к понижению давления над поверхностью жидкости в резервуаре 9, и продавливание газа через трубку 6 прекращалось. Высоту h₁ (рис. 3), при которой продавливался первый пузырек газа и которая соответствовала максимальному давлению, измеряли катетометром и использовали для расчета поверхностного натяжения по формуле:

σ = 1/2 · g · (ρ_ж − ρ_п) · rh₁ · [1 − (2/3)(r / h₁) − (1/3)(r² / h₁²)]          (4)

где g — ускорение силы тяжести; r — внутренний радиус трубки 6 на торце (в нашем случае r = 0,010 см). После ряда измерений высоты h₁ печь 2 выключали, а ее крышку снимали. Это приводило к тому, что давление в системе выравнивалось, так что измерения поверхностного натяжения могли быть продолжены.

     Относительная ошибка при измерении поверхностного натяжения в наименее благоприятных случаях не превышала 0,2%. С помощью аппаратуры, описанной выше, были измерены плотность, вязкость и поверхностное натяжение ССІ₄ и SnCl₄ (табл. 1—6, рис. 4, 5); методом наименьших квадратов найдены уравнения, связывающие эти величины с температурой. Произведено сравнение полученных данных с литературными (рис. 4, 5).

ВЫВОДЫ

Измерена температурная зависимость плотности, вязкости и поверхностного натяжения тетрахлоридов углерода и олова.

Поступило в редакцию 24 августа 1962 г.

Институт общей и неорганической химии Академии наук СССР Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. O. Kubaschewski, E. L. L. Ewans. Metallurgical Thermochemistry, London, Pergamon Press, 1958.
2. «Физические методы органической химии» (под ред. А. Вайсбергера), И. Л., м., 1950, т. 1.
3. L. Martin. Bull. Soc. Chim. Belg., 34, 81 (1925).
4. Г. Барр. Вискозиметрия, ГОНТИ, Л.- М., 1950.
5. Э. Гатчек. Вязкость жидкостей, ОНТИ, М.–Л., 1933.
6. П. П. Пугачевич. Авторская заявка № 741929/26–10 от 17.8.61 г.
7. П. П. Пугачевич. Ж. физ. химии, 36, 1107 (1962).
8. M. Cantor. Ann. Phys., 47, 399 (1892).
9. Landolt–Börnstein. Phys-chem. Tabellen, 1, 150 (1923).
10. T. E. Jhorpe, J. M. Rodger. Phil. Trans., 185A, 397 (1894).
11. A. Heydweller. Ann. Phys., 59, 193 (1896).
12. H. Sackmann, H. Arnold. Z. Elektrochem., 63, 565 (1959).
13. М. М. Якшин, В. М. Езучевская, В. И. Салменкова. Ж. неорган. химии, 6, 2425 (1961).
14. Справочник химика, 1, 630 (1951).
15. Н. А. Трифонов, Р. В. Мерцлин. Изв. Сектора физ.-хим. анализа, 12, 139 (1940).
16. А. П. Торопов. Ж. общ. химии, 12, 3267 (1956).
17. W. Ramsay, J. ShieIds. Z. phys. Chem., 12, 433 (1893).

Смотрите так же

Способ получения наноразмерных порошков титаната лития

О ПОЛУЧЕНИИ НИОБИЯ И ТАНТАЛА ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ

Исследования по извлечению церия из растворов концентратов редкоземельных металлов электрохимическим и экстракционным методами