Wilhelmy-lemez-módszer

Felületi feszültség mérése a Wilhelmy-lemez módszerrel. Kékkel a vizsgált folyadék (liquid), fehérrel a belemerített lemez látható. Az ábrán a lemezre lefelé húzó, pirossal jelölt F kapilláris erő nagyságára igaz: $F=lcos(\theta )\gamma$, vagyis arányos a lemez $l=2(w+d)$ nedvesített kerületével, az illeszkedési szög koszinuszával $cos(\theta )$ és a $\gamma$ felületi feszültséggel, ami az erő mérésével meghatározható.

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 WilhelmySablon:Wd által kifejlesztett módszert széles körben alkalmazzák a Langmuir-filmek készítésénél.

Részletes leírás

A Wilhelmy-lemez egy vékony lemez, amelynek területe általában csak néhány négyzetcentiméter. A lemez anyaga gyakran szűrőpapír, üveg vagy platina, felülete, a teljes nedvesítés érdekében általában érdesített. A mérés eredménye (a mért levegő-folyadék felületi feszültség értéke) 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 ismert és általánosan elfogadott 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 hitelesítik. 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 fentebb említett, minimalizált de mégis jelen levő hatásokat. A lemezre ható erő:

$F=F_g-F_b+2(w+d)\gamma cos(\theta )$

Ahol $F_g$ a lemez 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 kalibrálását (hitelesítését) gyakran tiszta vízbe merített platinalemezzel végzik. Ilyenkor, a kereskedelemben erre a célra kapható platinalemezeket használnak. Ezek felülete érdesített, a minél jobb nedvesíthetőségük érdekében.

A módszer előnyei

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-gyűrűSablon:Wd 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 folyadék felületére, amíg az fel nem mászik rá (meniszkusz keletkezik) majd felemelik úgy, hogy a lemez alsó széle a zavartalan távolabbi, vízszintes folyadékfelület felület síkjába (magasságába) kerüljön.

Ha két, egymással nem keveredő folyadék határfelületén mérnek, a felső (kisebb sűrűségű) folyadékot a nagyobb sűrűségű folyadék tetejére juttatják úgy, hogy ne zavarja a meniszkuszt. Az ilyenkor kialakuló egyensúly esetén mérhető erőből meghatározható a folyadékokra az abszolút felületi-, vagy a közöttük fennálló határfelületi feszültség. A nagyobb nedvesített felület esetén a mérést kevesebb hiba terheli, mint egy kicsi nedvesített felülettel végrehajtott méréskor. Ez a mérési módszert számos nemzetközi mérési szabványban is szerepel.