POMIAR NAPIĘCIA POWIEŻCHNIOWEGO CIECZY METODĄ STALAGMOMETRYCZNĄ

Ciecze rzeczywiste mają własną objętość, podobnie jak gazy nie mają własnego kształtu i wykazują w zasadzie właściwości izotropowe. Ich właściwości wynikają z ich struktury wewnętrznej, która odznacza się bardzo małymi (w porównaniu do gazów)
odstępami między cząsteczkami oraz stosunkowo dużymi siłami oddziaływania między
cząsteczkowego. Siły te zazwyczaj mniejsze niż w ciałach stałych są szczególnie duże, gdy cząsteczki są spolaryzowane lub zawierają wiązania atomowe. W tych przypadkach ciecze wykazują znaczny stopień asocjacji cząsteczek.

Warunki panujące we wnętrzu cieczy różnią się od warunków panujących na jej
powierzchni. Siły działające na wybraną cząsteczkę we wnętrzu cieczy są we wszystkich
kierunkach jednakowe, tak iż siła wypadkowa równa jest zeru. Na cząsteczki znajdujące się na powierzchni działają natomiast przede wszystkim siły skierowane w kierunku wnętrza
cieczy nie skompensowane od strony fazy gazowej. Dlatego też ciecze wykazują tendencję do zmniejszania liczby cząsteczek znajdujących się na ich powierzchni. Dzięki temu
powierzchnie cieczy kurczą się ściągane znacznymi siłami, a zwiększenie powierzchni
wymaga pokonania tych sił.

Dana ilość cieczy o określonej objętości ma minimalną powierzchnię wtedy, gdy ma kształt kuli. Wszystkie ciecze wykazują tendencję do przyjmowania tego kształtu, jeżeli nie działają na nie zaburzająco siły grawitacji lub też inne siły.

Napięcie powierzchniowe cieczy γ definiujemy za pomocą równania:
, gdzie:
F - oznacza siłę, z jaką pas o szerokości l ściąga powierzchnię w kierunku równoległym do długości pasa.

W celu zwiększenia powierzchni należy wykonać pracę równą iloczynowi napięcia powierzchniowego i przyrostu powierzchni. Wytworzenie przyrostu S wymaga nakładu pracy γS. Ilość energii mechanicznej zmagazynowanej w ten sposób nazywamy energią
powierzchniową. Iloraz energii powierzchniowej i powierzchni jest równy napięciu
powierzchniowemu, które uważa się za powierzchniową energię właściwą.

Wynikiem istnienia napięcia powierzchniowego na granicy fazy ciekłej jest zjawisko wznoszenia się cieczy w rurkach kapilarnych. Jeżeli powierzchnia kapilary zwilżana jest przez ciecz, wówczas tworzy się warstwa powierzchniowa. Wznoszeniu się cieczy
towarzyszy zmniejszanie powierzchni.

Siła, która powoduje wznoszenie cieczy, jest równa iloczynowi napięcia
powierzchniowego i długości krzywej, wzdłuż której działa, tj. 2πr , gdzie 2r to średnica
kapilary.

Ciecz wznosi się dotąd, dopóki nie nastąpi zrównanie siły napięcia powierzchniowego z siłą ciężkości słupa cieczy w kapilarze: 2πrγ = πr²hdg, gdzie: d - gęstość cieczy;
g - przyspieszenie ziemskie; h - wysokość, na którą wzniesie się ciecz.

Napięcie powierzchniowe zależy w dużym stopniu od temperatury. Zależność ta jest zazwyczaj liniowa: γ_t = γ_o - at, gdzie: a - stała, t - temperatura.

Molowa energia powierzchniowa θ definiowana jest jako energia napięcia
powierzchniowego 1 mola cieczy pod postacią kuli. Pochodna molowej energii
powierzchniowej powinna być stała dla wszystkich cieczy i niezależna od temperatury.

Parachora: P = Vγ^1/4, gdzie: V - objętość molowa. Parachora to wielkość addytywna, tzn. że można ja obliczyć jako sumę tzw. parachor atomowych, charakterystycznych dla
atomów wchodzących w skład cząsteczki, oraz tzw. parachor strukturowych,
charakterystycznych dla rodzajów wiązań w cząsteczce.

WYKONANIE ĆWICZENIA

Do badań otrzymujemy trzy ciecze. Najpierw wykonujemy pomiar dla wody, a
następnie dla badanych cieczy (każdy pomiar wykonujemy minimum trzy razy).
Stalagmometr napełniamy powyżej górnej kreski i liczymy liczbę kropel wypływającą z danej objętości. Wyniki pomiarów umieszczamy w tabeli.

ZESTAWIENIE WYNIKÓW

Tabela 1. Wyniki pomiarów.

Liczba kropel wody nw	Liczba kropel cieczy I nI	Liczba kropel cieczy II nII	Liczba kropel cieczy III nIII	Temperatura cieczy t [^oC]
104 103 102	240 241 238	190 189 190	279 281 278	25

Do ćwiczenia otrzymaliśmy wzory sumaryczne, masy molowe (M.) oraz gęstości (d)
badanych ciecz odpowiednio:

• ciecz I: C₄H₁₀O, M. = 74,12 g/mol, d = 0,8098 g/cm³,

• ciecz II C₇H₈O, M. = 108,14 g/mol, d = 1,0453 g/cm³,

• ciecz III C₄H₈O₂, M. = 88,10 g/mol, d = 0,9010 g/cm³.

Badana substancja	d [g/cm^3]	Pobl [10^-4kg^1/4m^3/s^1/2kmol]	Plit. [10^-4kg^1/4m^3/s^1/2kmol]	γlit. [10^-3N/m]
alkohol butylowy	0,8097	366,8	360,8	24,6
Alkohol secbutylowy	0,8026	366,8	-	23,47
alkohol tert-butylowy	0,7887	366,8	-	19,56
alkohol izo-butylowy	0,7978	366,8	359,3	22,8
alkohol benzylowy	1,0454	435,3	-	29,96
anizol	0,9893	435,3	-	35,45
m - krezol	1,0302	435,3	457,1	37,4
o - krezol	1,135	435,3	457,8	-
p - krezol	1,0178	435,3	-	36,7
kwas masłowy	0,9532	388,6	371,8	26,8
kwas izo-masłowy	0,9682	388,6	369,5	25,2
octan etylu	0,901	388,6	386	23,9
propionian metylu	0,9151	388,6	382,5	24,9

Część doświadczalna :

1. Aparatura :

• stalagmometr

• zlewki o pojemności 50 ml

Odczynniki :

- C₄H₁₀O ρ = 0,8098 M = 74,12 ;

- C₇H₈O ρ = 1,0453 M = 108,07 ;

- C₄H₈O₂ ρ = 0,901 M = 88,04 .

2. Celem ćwiczenia było wyznaczenie wartości napięcia powierzchniowego, parachory i wzorów strukturalnych badanych substancji. W tym celu dokonano pomiarów liczby kropel wody i badanych cieczy wypływających z ustalonej objętości stalagmometru.

3. Obliczenia :

Parachory wyznaczono na podstawie tabeli : „Parachory atomowe i parachory wiązań”.

Obliczenia zamieszczono w tabeli :

Badana substancja	ρlit [g/ml] w t = 20 [°C]	Pobl [10^-4kg^1/4m^3/s^1/2kmol]	Plit. [10^-4kg^1/4m^3/s^1/2kmol]	γlit. [10^-3N/m]
alkohol butylowy	0,8097	366,8	360,8	24,6
alkohol sec-butylowy	0,8026	366,8	-	23,47
alkohol tert-butylowy	0,7887	366,8	-	19,56
alkohol izo-butylowy	0,7978	366,8	359,3	22,8
alkohol benzylowy	1,0454	435,3	-	29,96
anizol	0,9893	435,3	-	35,45
m - krezol	1,0302	435,3	457,1	37,4
o - krezol	1,135	435,3	457,8	-
p - krezol	1,0178	435,3	-	36,7
kwas masłowy	0,9532	388,6	371,8	26,8
kwas izo-masłowy	0,9682	388,6	369,5	25,2
octan etylu	0,901	388,6	386	23,9
propionian metylu	0,9151	388,6	382,5	24,9

Wartości zaznaczone kolorem żółtym są zbliżone najbardziej do wartości poszukiwanych substancji.

Dyskusja wyników i wnioski :

Na postawie wykonanych pomiarów ustalono wzory strukturalne badanych związków :

1. alkohol butylowy

CH₃ _ CH₂ _ CH₂ _ CH₂ _ OH

2. alkohol benzylowy

_ CH₂ _ OH

3. octan etylu

CH₃ _ C _ O _ CH₂ _ CH₃



O

Parachory izomerów alkoholu butylowego są takie same i na ich podstawie nie można wyznaczyć struktury związku. Rozpoznania dokonano na podstawie różnych wartości gęstości substancji i napięcia powierzchniowego.

W przypadku drugiego związku kryterium rozstrzygającym była gęstość, gdyż parachory rozpatrywanych związków nieznacznie się różniły, zaś napięcie powierzchniowe w żadnym z przypadków nie było zgodne z wyliczonym przez komputer.

Wzór strukturalny trzeciego związku wyznaczono na podstawie gęstości i wartości parachory, które są zgodne z literaturowymi.

W oparciu o tę metodę nie można wyznaczyć ze 100 % dokładnością wzorów strukturalnych badanych związków, co wiąże się z różnymi od literaturowych wartości parachor i napięć powierzchniowych. Wzory strukturalne substancji chemicznych można wyznaczyć innymi metodami ze znacznie większą dokładnością np. metody spektrofotometrii absorpcyjnej w podczerwieni czy analiza jakościowa w chemii organicznej.

Wyniki są obarczone błędem, który wynika z :

• niedokładnego wyznaczania liczby kropel,

• niedoskonałości aparatury pomiarowej,

• trudności określenia momentu oderwania się pierwszej i ostatniej kropli wypływającej z danej objętości stalagmometru.

---