Способ исследования электрокапиллярных явлений на жидком электроде и устройство для их регистрации
Использование: в физической химии. Сущность изобретения: способ включает следующие операции. Через межфазную границу жидких металла и электролита пропускают переменный или импульсный ток фиксированной амплитуды и частоты, деформируют границу твердым телом и регистрируют амплитуду упругих колебаний распространяющихся в твердом теле на частоте, равной или кратной частоте переменного тока, по которой определяют силу, действующую на твердое тело. Границу раздела деформируют путем погружения части твердого тела в обе жидкости, а упругие колебания регистрируют на непогруженной его части. Границу раздела совмещают с кромкой твердого тела, перемещением кромки устраняют мениск, регистрируют упругие объемные или поверхностные волны. Можно границу раздела формировать в виде капли металла в электролите. Устройство для регистрации электрокапиллярных явлений содержит ячейку с жидкими электродом и электролитом, стержень, деформирующий границу раздела между ними, и блок задания потенциала жидкого электрода. Жидкий электрод подключен к генератору переменного тока, а стержень скреплен с электромеханическим преобразователем, подключенным ко входу избирательного усилителя, настроенного на частоту переменного тока и соединенного с демодулятором. Торец стержня соединен с боковой поверхностью по линии сопряжения. Стержень может быть выполнен с выступающим цилиндрическим наконечником, который погружен в жидкий металл по верхний торец, причем боковая поверхность наконечника соединена с верхней торцевой поверхностью по линии сопряжения. 2 с. и 10 з.п.ф-лы, 17 ил.
Изобретение относится к физической химии.
Известен метод эстанса, позволяющий измерить переменное поверхностное натяжение твердых тел. Известен также способ исследования электрокапиллярных явлений на жидком электроде, включающий деформирование межфазной границы жидких металла и электролита твердым телом, ее поляризацию и измерение действующей на твердое тело силы, по которой судят о межфазном поверхностном натяжении. Для этого жидкий металл, покрытый слоем жидкого электролита, опускают конец стержня и сравнивают веса стержня до и после его контакта с жидким металлом. Стационарность измерения веса стержня ограничивает скорость перехода от одного значения потенциала жидкого металлического электрода к другому и препятствует проведению исследований в потенциодинамическом режиме. Кроме того, при изменении потенциала наряду с поверхностным натяжением меняется и краевой угол смачивания стержня жидким металлом, что создает погрешность, которая наиболее существенна при определении потенциала нулевого заряда по максимуму электрокапиллярной кривой. Предлагаемый способ отличается от известного тем, что через межфазную границу пропускают переменный ток фиксированной частоты и на частоте, равной или кратной частоте переменного тока, избирательно регистрируют распространяющиеся в твердом теле упругие волны, посредством которых выделяют переменную составляющую силы, действующей на твердое тело. Формируют горизонтальную межфазную границу жидких металла и электролита, деформируют ее торцевой поверхностью твердого тела, выполненного в виде стержня, упругие волны регистрируют на непогруженной в электролит части стержня. Межфазную границу совмещают с кромкой между боковой и нижней торцевой поверхностями стержня, перемещают стержень по вертикали до устранения мениска межфазной границы. Регистрируют объемные или поверхностные упругие волны. Переменный ток пропускают импульсами, а упругие волны регистрируют в интервалах между импульсами переменного тока. Масштаб результатов измерений в единицах поверхностного натяжения либо потенциала определяют путем сравнения амплитуд колебаний стержня в исследуемой и эталонной системах. В другом варианте способа межфазную границу формируют путем образования капли металла в электролите, которую деформируют твердым телом. Известно устройство для регистрации электрокапиллярных явлений на жидком электроде, содержащее ячейку с жидкими электродом и электролитом, твердое тело, выполненное в виде цилиндрического стержня, установленного в ячейке с возможностью перемещения, и блок задания потенциала жидкого электрода. Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что содержит генератор переменного тока, а стержень в верхней его части скреплен с электромеханическим преобразователем, подключенным ко входу избирательного усилителя, соединенного с демодулятором. Нижний конец стержня снабжен радиальным выступом в виде фланца, который погружен в жидкий металл по верхний торец. Ячейка включает цилиндрический стакан и вставленную в него цилиндрическую втулку, отделенную от дна стакана зазором, во втулку выполнены центральное глухое отверстие и сообщающиеся с ним боковые отверстия, часть которых является сквозными с выходом в зазор, в боковые отверстия вставлены токовыводы, нижние концы которых фиксированы гнездами во втулке либо стакане. Возможны варианты выполнения устройства. Стержень может быть составлен из двух частей, выполненных из диэлектрика и металла, граница между которыми совмещена с межфазной границей жидких металла и электролита. Существует вариант устройства, в котором оно снабжено средствами формирования висящей капли жидкого металла в электролите, а стержень включает изогнутую пластину с горизонтальным участком, подведенным под полюс висящей капли. В другом варианте устройство снабжено средствами формирования лежащей капли жидкого металла в электролите, а стержень подведен к полюсу лежащей капли. Вместо снятия электрокапиллярной кривой и ее последующего дифференцирования для определения точки нулевого заряда, соответствующей максимуму электрокапиллярной кривой, предложенный способ обеспечивает непосредственное измерение производной благодаря регистрации амплитуды колебаний поверхностного натяжения, которая пропорциональна амплитуде возбуждаемых в твердом теле упругих волн. Это существенно повышает точность измерений, так как пересечение кривой амплитуды с нулевой линией в единственной точке, совпадающей с точкой нулевого заряда, менее чувствительно к погрешности, чем пологий максимум интегральной кривой. В окрестности нуля кривая амплитуды допускает сколь угодно большое усиление в противоположность максимуму. Изменение краевого угла с потенциалом процесс медленный даже на звуковых частотах. Оно не успевает следовать за колебаниями потенциала и не искажает положения нуля амплитуды. Предлагаемый способ вводит в эксперимент дополнительную степень свободы частоту колебаний поверхностного натяжения, которую можно менять в широких пределах, от звуковых до радиочастот, что позволяет исследовать быстрые поверхностные процессы, не доступные наблюдению в обычных условиях стационарных измерений. Применима также развертка среднего потенциала жидкого электрода с регулируемой скоростью. Увеличение частоты переменного тока через межфазную границу сопряжено с необходимостью увеличения его амплитуды, что сопровождается увеличением наводок и выделения тепла в электролите. Регистрация упругих волн в интервалах между импульсами переменного тока позволяет исключить эти помехи. Такой режим регистрации возможен благодаря конечной скорости распространения упругих волн от места их возбуждения к месту их приема. Значительная дальность распространения упругих волн делает возможным применение данного способа к труднодоступным объектам, например, ионным и металлическим расплавам при повышенных температурах. В отличие от измерений веса, требующих вертикальной составляющей поверхностного натяжения, возбуждение упругих волн возможно при горизонтальном положении границы раздела двух жидкостей, что позволяет работать без мениска, исключив, таким образом, погрешность, связанную с искривлением границы фаз и возбуждением волн в жидкостях. На чертежах показаны: фиг.1 безменисковое соединение твердого тела с межфазной границей двух жидкостей при исследовании электрокапиллярных явлений; фиг.2 фрагмент разреза А-А на фиг.1; фиг.3 узел I на фиг.1; фиг.4 узел II на фиг.1; фиг.5 соединение ступенчатой поверхности твердого тела с границей раздела двух жидкостей; фиг.6 фрагмент разреза Б-Б на фиг.5; фиг.7 узел III на фиг. 5; фиг. 8 узел IV на фиг.5; фиг.9 взаимодействие твердого тела с капельным электродом в жидком электролите при регистрации колебаний поверхностного натяжения; фиг.10 вариант контакта твердого тела с висящей каплей; фиг.11 контакт твердого тела с лежащей каплей; фиг.12 устройство для регистрации электрокапиллярных явлений; фиг. 13 разрез В-В на фиг.12; фиг.14 электрод в форме вкладыша для подвода переменного тока к границе раздела; фиг. 15 втулка электролитической ячейки (разрез Г-Г на фиг.13); фиг.16 диаграмма формирования и задержки импульсов переменного поверхностного натяжения; фиг. 17 дифференциальная электрокапиллярная кривая жидкой амальгамы золота в водном растворе серной кислоты. Ниже приведены примеры осуществления способа исследования электрокапиллярных явлений. Пример 1 (фиг.1-4). Сосуд 1 с вертикальными стенками 2 размещают внутри сосуда большего размера и заливают до краев 3 жидким металлом 4, например, ртутью или жидкой амальгамой. Сверху жидкий металл покрывают слоем 5 жидкого электролита 6 с меньшей, чем у жидкого металла, плотностью, например, водным раствором серной кислоты, с образованием границы 7 раздела между жидкостями. Внутренний сосуд 1 стабилизирует уровень границы раздела и ограничивает ее площадь. Жидкий электролит приводят в контакт со вспомогательными электродами для задания переменного тока, среднего по времени потенциала жидкого металла и с электродом сравнения. Контакт выполняют непосредственным погружением, например, электрода 8 для задания переменного тока, либо через сифоны. В качестве твердого тела для деформирования границы раздела используют вертикально расположенный стержень 9 из диэлектрика, например, сапфира, плавленого кварца, боросиликатного стекла. Стержень имеет круглое сечение с диаметром, уменьшающимся по длине стержня от рабочего нижнего конца 10 к верхнему тыльному концу 11, и продольную полость 12, закрытую снизу пробкой 13. Нижняя торцевая поверхность 14 стержня отделена от боковой поверхности 15 стержня кромкой 16. Кромку выполняют с минимально возможным радиусом закругления 17 (фиг.3), который должен быть, по крайней мере, на порядок меньше длины упругой волны. На верхнем конце стержня устанавливают электромеханический преобразователь 18, который содержит ряд дискретных кольцевых электродов 19, 20, нанесенных в виде металлической пленки на боковую поверхность стержня с шагом, равным половине длины волны![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8706.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8706.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8706.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8706.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8706.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8706.gif)
Формула изобретения
1. Способ исследования электрокапиллярных явлений на жидком электроде, включающий деформирование межфазной границы жидких металла и электролита твердым телом, ее поляризацию и измерение действующей на твердое тело силы, по которой судят о межфазном поверхностном натяжении, отличающийся тем, что через межфазную границу пропускают переменный ток фиксированной частоты и на частоте, равной или кратной частоте переменного тока, регистрируют распространяющиеся в твердом теле упругие волны, посредством которых выделяют переменную составляющую силы, действующей на твердое тело. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют горизонтальную межфазную границу жидких металла и электролита, деформируют ее торцевой поверхностью твердого тела, выполненного в виде стержня, а упругие волны регистрируют на не погруженной в электролит части стержня. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что межфазную границу совмещают с кромкой между боковой и нижней торцевой поверхностями стержня и перемещают стержень по вертикали до устранения мениска межфазной границы. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрируют объемные либо поверхностные упругие волны. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переменный ток пропускают импульсами, а упругие волны регистрируют в интервалах между импульсами переменного тока. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что межфазную границу формируют путем образования капли металла в электролите, которую деформируют твердым телом. 7. Устройство для регистрации электрокапиллярных явлений на жидком электроде, содержащее ячейку с жидким электродом и электролитом, твердое тело, выполненное в виде цилиндрического стержня, установленного в ячейке с возможностью перемещения, и блок задания потенциала жидкого электрода, отличающееся тем, что оно содержит генератор переменного тока, а стержень в верхней его части скреплен с электромеханическим преобразователем, подключенным к входу избирательного усилителя, соединенного с демодулятором. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что нижний конец стержня снабжен радиальным выступом в виде фланца, который погружен в жидкий металл по верхний торец. 9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что стержень составлен из двух частей, выполненных из диэлектрика и металла, граница между которыми совмещена с межфазной границей жидких металла и электролита. 10. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что ячейка включает цилиндрический стакан и вставленную в него цилиндрическую втулку, отделенную от дна стакана зазором, во втулке выполнены центральное глухое отверстие и сообщающиеся с ним боковые отверстия, часть которых является сквозными с выходом в зазор, в боковые отверстия вставлены токовыводы, нижние концы которых фиксированы гнездами во втулке либо стакане. 11. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что оно снабжено средствами формирования висящей капли жидкого металла в электролите, а стержень включает изогнутую пластину с горизонтальным участком, который подведен под полюс висящей капли. 12. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что оно снабжено средствами формирования лежащей капли жидкого металла в электролите, а стержень подведен к полюсу лежащей капли.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17