GRUPA NR: 24. ZESPÓŁ: 2.	ĆWICZENIE NR: 2 Wyznaczanie napięcia powierzchniowego cieczy metodą stalagmometryczną i pęcherzykową.	DATA WYKONANIA ĆWICZENIA: SPRAW. ZBIORCZE
ZESPÓŁ: 1. Michał Kita 2. Katarzyna Borczyk 3. Katarzyna Kliś 4. Monika Rutka 5. Wojciech Wróblewski			OCENA:

1. WSTĘP TEORETYCZNY:

Cząsteczki znajdujące się na powierzchni faz skondensowanych, a zatem także fazy ciekłej, posiadają pewien nadmiar energii swobodnej w stosunku do cząsteczek znajdujących się we wnętrzu tych faz. Miarą tej energii jest powierzchniowa energia swobodna przypadająca na jednostkową powierzchnię, zwana właściwą powierzchniową energią swobodną lub inaczej napięciem powierzchniowym fazy
:

Działanie energii powierzchniowej możemy zaobserwować jako siłę dążącą do zmniejszenia powierzchni rozdzielającej fazy. Metody wyznaczania napięcia powierzchniowego są oparte na pomiarze tej siły.

W ćwiczeniu stosowane będą dwie metody: stalagmometryczna, polegająca na pomiarze wielkości kropli badanej substancji odrywającej się od powierzchni przyrządu oraz pęcherzykowa polegająca na pomiarze maksymalnego ciśnienia potrzebnego do wytworzenia pęcherzyka powietrza na końcu kapilary zanurzonej w badanej cieczy, w momencie jego uwolnienia. W obu przypadkach celem będzie zmierzenie statycznego napięcia powierzchniowego, zatem zarówno krople w metodzie stalagmometrycznej jak i pęcherzyki powinno się wytwarzać powoli, tak by na powierzchni doszło do ustalenia się stanu równowagi.

Napięcie powierzchniowe czystych cieczy zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, w temperaturze krytycznej osiągając wartość zerową, co opisuje równanie Eötvösa:

lub z wprowadzoną małą poprawką równanie Ramsaya-Shieldsa:

,

gdzie V oznacza objętość molową,
temperaturę krytyczną a k jest stałą dla wielu substancji przyjmująca wartość około
.

Zależność napięcia powierzchniowego roztworów od temperatury może mieć bardziej złożoną postać i jest celem badań. Z jej postaci można wyciągać wnioski dotyczące struktury warstwy powierzchniowej i jej zmiany z temperaturą.

Skład warstwy powierzchniowej roztworów jest odmienny od składu jego wnętrza. W częściej spotykanym przypadku, gdy cząsteczki rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej przyciągają się słabiej od cząsteczek rozpuszczalnika między sobą, cząsteczki substancji rozpuszczonej są wypychane na zewnątrz fazy i warstwa powierzchniowa zawiera ich więcej. Różnica ilości moli substancji rozpuszczonej w jednostkowej ilości moli rozpuszczalnika w próbce pobranej z wnętrza roztworu i jej powierzchni, podzielona przez wielkość tej powierzchni nazywa się nadmiarem powierzchniowym Gibbsa
:

.

Jest on funkcją aktywności substancji rozpuszczonej a2 oraz napięcia powierzchniowego, co ujmuje równanie adsorpcji Gibbsa:

,
.

2. CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie napięcia powierzchniowego dla roztworu n-butanolu w wodzie, oraz zbadanie zależności napięcia powierzchniowego od stężenia n-butanolu (w stałej temp.) i zależności napięcia powierzchniowego od temperatury (przy stałym stężeniu n-butanolu).

3. ZADANE PARAMETRY:

Dany jest roztwór n-butanolu w wodzie o pewnym stężeniu. Należy wyznaczyć napięcie powierzchniowe r-ru wyjściowego, roztworów o określonych rozcieńczeniach oraz czystej wody (wszystko w stałej temperaturze) - do zależności nap. pow. od stężenia. Należy też wyznaczyć napięcie powierzchniowe r-ru w temperaturze od ok. 20 ⁰C do ok. 45 ⁰C w odpowiednich odstępach (wszystko przy jednakowym stężeniu) - do zależności nap. pow. od temperatury.

4. SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA:

1. METODA PĘCHERZYKOWA:

1. Przygotowanie r-ru - umieszczenie w termostacie, ustalenie temperatury, wcześniej ewentualne usunięcie emulsji.

2. Kalibracja katetometru.

3. Zetknięcie końca kapilary z badanym roztworem.

4. Zanurzenie końca kapilary na żądaną głębokość (kontrolowaną poprzez odczyt z katetometru).

5. Wyzerowanie wskazania manometru.

6. Powolne wytworzenie pęcherzyka powietrza (lub - jeżeli się nie da - grupy pęcherzyków), aż do momentu jego uwolnienia.

7. Odczytanie wskazania manometru i temperatury (ma być stała).

Pomiaru dokonuje się trzykrotnie dla zadanych warunków i wylicza średnią. Pomiar należy powtórzyć dla kilku stężeń i temperatur. Należy też wykonać pomiar dla czystego rozpuszczalnika.

2. METODA STALAGMOMETRYCZNA:

1. Oczyszczenie i przygotowanie stalagmometru, ustawienie zestawu.

2. Napełnienie stalagmometru badanym r-rem powyżej górnej kreski.

3. Rozluźnienie zacisku, tworzenie każdorazowo kropli w odstępie czasu 2-5 sekund. Liczenie ilości spadających kropli, aż do momentu osiągnięcia przez badaną ciecz poziomu górnej kreski.

4. Zmierzenie objętości cieczy zawartej między kreskami, za pomocą cylindra.

5. Sprawdzenie, czy temperatura otoczenia była stała w trakcie przeprowadzania pomiaru.

5. WYNIKI POMIARÓW:

ZESTAWIENIE DANYCH DOŚWIADCZALNYCH
GŁĘBOKOŚĆ ZANURZENIA KAPILARY:
MASA PIKNOMETRU SUCHEGO:
MASA PIKNOMETRU Z WODĄ:
STĘŻENIE		NADCIŚNIENIE			MASA PIKNOMETRU Z R-REM
7.35		95	929.90		---
5.00		106	1037.57		67.375
5.00		107	1047.36		67.376
5.00		109	1066.94		---
5.00		111	1086.51		67.438
5.00		165	1615.09		67.372
5.00		176	1722.76		---
2.50		140	1370.38		---
2.50		174	1703.19		67.606
2.50		221	2163.24		---
1.84		145	1419.32		---
1.67		159	1556.36		---
1.25		140	1370.38		67.679
1.25		162	1585.72		---
1.25		180	1761.92		67.906
1.25		250	2447.11		---
1.24		143	1401.75		67.681
0.56		191	1869.59		---
0.42		195	1908.74		---
0.32		175	1712.97		67.899
0.31		174	1699.45		67.910
0.00		210	2055.57		68.004
0.00		216	2114.30		68.004
0.00		216	2114.30		68.004
0.00		217	2124.09		68.004
0.00		218	2133.88		68.004
0.00		341	3337.85		68.004
0.00		400	3915.37		68.004
TEMPERATURA	NAP. POW. WODY			NADCIŚNIENIE		GĘSTOŚĆ WODY
19.0	0.0725			111	1086.51	998.2
20.5	0.0725			106	1037.57	997.8
21.5	0.0725			107	1047.36	997.8
25.0	0.0717			174	1703.19	996.6
26.0	0.0717			112	1096.30	996.6
26.5	0.0717			104	1018.00	996.6
26.5	0.0717			105	1027.78	996.6
30.0	0.0710			171	1673.82	995.2
30.5	0.0710			101	988.63	995.2
31.0	0.0710			113	1106.09	995.2
31.5	0.0710			101	988.63	995.2
34.5	0.0702			99	969.05	993.4
35.0	0.0702			168	1644.45	993.4
36.5	0.0702			99	969.05	993.4
36.5	0.0702			110	1076.73	993.4
39.5	0.0693			97	949.48	991.6
40.5	0.0693			164	1605.30	991.6
41.5	0.0693			98	959.27	991.6
45.5	0.0684			96	939.69	989.5
46.5	0.0684			96	939.69	989.5
ILOŚĆ KROPEL WODY:
ILOŚĆ KROPEL ROZTWORU n-BUTANOLU 5 %-GO:
OBJĘTOŚĆ CIECZY:
PROMIEŃ STOPKI STALAGMOMETRU:

OPRACOWANIE DANYCH DOŚWIADCZALNYCH:

1. METODA PĘCHERZYKOWA:

1. Zależność napięcia powierzchniowego od stężenia:

Napięcie powierzchniowe liczy się ze wzoru:

.

Gęstość r-ru liczy się w oparciu o pomiary piknometrem:

.

Gęstość r-ru jest równa:

Napięcie powierzchniowe r-ru jest równe:

Napięcie powierzchniowe roztworu n-butanolu w funkcji stężenia w wodzie (dla stałej temperatury) - wyniki zbiorcze:

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE R-RU W FUNKCJI STĘŻENIA t = 20.0 `C
STĘŻENIE ROZTWORU	NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE ROZTWORU
7.35	0.0302
5.00	0.0314
5.00	0.0343
5.00	0.0349
5.00	0.0349
5.00	0.0374
5.00	0.0376
2.50	0.0363
2.50	0.0390
2.50	0.0482
1.84	0.0471
1.67	0.0544
1.25	0.0375
1.25	0.0450
1.25	0.0473
1.25	0.0557
1.24	0.0473
0.56	0.0659
0.42	0.0639
0.32	0.0577
0.31	0.0577
0.00	0.0712
0.00	0.0722
0.00	0.0725
0.00	0.0725
0.00	0.0725
0.00	0.0725

Zależność napięcia powierzchniowego od stężenia n-butanolu, w stałej temperaturze:

2. Zależność napięcia powierzchniowego od temperatury:

Napięcie powierzchniowe liczy się z zależności:

,

gdzie zmiennymi są: napięcie pow. wody, nadciśnienie manometru, gęstość wody, natomiast gęstość r-ru w tym przedziale temperatur można uznać za stałą.

Napięcie powierzchniowe r-ru jest równe:

Napięcie powierzchniowe roztworu n-butanolu w funkcji temperatury (dla stałego stężenia n-butanolu w wodzie) - wyniki zbiorcze:

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE R-RU W FUNKCJI TEMPERATURY x = 5 %
TEMPERATURA	NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE ROZTWORU
19.0	0.0374
20.5	0.0349
21.5	0.0349
25.0	0.0306
26.0	0.0373
26.5	0.0338
26.5	0.0338
30.0	0.0298
30.5	0.0322
31.0	0.0373
31.5	0.0322
34.5	0.0311
35.0	0.0373
36.5	0.0311
36.5	0.0359
39.5	0.0304
40.5	0.0359
41.5	0.0304
45.5	0.0294
46.5	0.0294

Zależność napięcia powierzchniowego od temperatury, przy stałym stężeniu n-butanolu:

2. METODA STALAGMOMETRYCZNA:

Napięcie powierzchniowe liczy się ze wzoru:

Objętość jednej kropli w obu przypadkach liczy się dzieląc całkowitą objętość odczytaną w cylindrze przez ilość kropel:

Należy wprowadzić poprawki F:

Napięcie powierzchniowe roztworu n-butanolu o stężeniu 5 % (metoda stalagmometryczna) - wyniki zbiorcze:

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE R-RU 5 %-GO METODA STALAGMOMETRYCZNA
NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE ROZTWORU	BŁĄD PROC. WZGL. METODY PĘCHERZ.
0.0320	+14.4 %
0.0349	- 06.3 %
0.0336	+02.1 %
0.0380	- 21.0 %
0.0371	+05.9 %
0.0387	+02.9 %

6. DYSKUSJA WYNIKÓW:

Na wykresie zależności napięcia powierzchniowego od stężenia rozpuszczonego alkoholu - w stałej temperaturze - można zauważyć, że napięcie pow. maleje wraz ze wzrostem stężenia. Tempo tych zmian staje się coraz mniejsze przy zwiększającym się stężeniu. Wyraźnie widać, że największym napięciem powierzchniowym charakteryzuje się czysty rozpuszczalnik - woda, co wynika zapewne ze specyfiki oddziaływań występujących pomiędzy jej cząsteczkami.

Wykres zależności napięcia powierzchniowego od temperatury (przy zadanym składzie mieszaniny) można z pewnym przybliżeniem potraktować jako linię prostą. W związku z tym, że współczynnik kierunkowy jest ujemny, napięcie powierzchniowe liniowo maleje ze wzrostem temperatury. Tempo spadku wartości napięcia pow. jest niewielkie: około 0.0002 N/m, na każdy wzrost temperatury o 1 K.

7. WNIOSKI KOŃCOWE:

Jak widać, napięcie powierzchniowe maleje ze wzrostem stężenia i temperatury, jeżeli chodzi o roztwory ciekłe. Ten fakt wykorzystuje się np. podczas procesu prania, tzn. podgrzewa się wodę i dodatkowo rozpuszcza w niej określoną ilość detergentów, aby proces był wydajniejszy i szybszy.

Przyczyny trudności i ewentualnych błędów:

1. Przy metodzie pęcherzykowej podstawową trudnością było utworzenie pojedynczego pęcherzyka gazu, gdyż każdorazowo pojawiało się kilka drobnych pęcherzyków.

2. Aby cylinder z badaną cieczą mógł się ogrzać, potrzeba było pewnego czasu, więc mogły wystąpić błędy odczytu temperatury roztworu.

3. Błąd odczytu temperatury mógł też nastąpić z powodu bardzo silnego nasłonecznienia stanowiska w dniu przeprowadzania doświadczenia.

4. W metodzie stalagmometrycznej mógł wystąpić błąd z powodu ewentualnego zanieczyszczenia stopki stalagmometru.

8. DODATKOWE OBLICZENIA:

Szacunkowe porównanie zależności doświadczalnej napięcia powierzchniowego od temperatury, z zależnością Ramsaya-Shieldsa.

Zależność RAMSAYA-SHIELDSA jest następująca:

.

Natomiast zależność DOŚWIADCZALNĄ można przedstawić wzorem:

.

Można spróbować porównać obydwie te wielkości i wyznaczyć stałe:
i k:

Wynika stąd, że:

Z tych dwóch zależności można wyliczyć
oraz k:

Porównanie wartości wyznaczonych i rzeczywistych:

	WARTOŚĆ WYZNACZONA	WARTOŚĆ RZECZYWISTA
	143.74	596.20

Jak widać, wyznaczona stała k nieznacznie różni się od wartości tablicowej, natomiast widać ogromną rozbieżność pomiędzy rzeczywistą i obliczoną wartością temperatury krytycznej.

Przy opracowywaniu danych doświadczalnych kierowano się następującymi zasadami:

1. Jeżeli dla danego argumentu istniało kilka wartości (np. dla jednego stężenia - kilka wartości napięcia powierzchniowego), to pomijane zostały w obliczeniach wartości znacznie odbiegające od średniej, a następnie liczono średnią arytmetyczną pozostawionych wartości. Mimo odrzucenia pewnych wartości do obliczeń, nie zostały one usunięte z wykresów, w celu porównania wyników.

2. W obliczeniach nie uwzględniano również tych wartości, które bardzo daleko odbiegały od prawidłowego przebiegu funkcji.

3. Podczas ustalania zależności napięcia powierzchniowego od temperatury, dla stałego stężenia n-butanolu w wodzie równego 5 %, wzięto pod uwagę wszystkie punkty pomiarowe. Bardzo trudno było odrzucić jakiekolwiek punkty pomiarowe, gdyż były one znacznie „rozrzucone” po wykresie. Wiąże się to zapewne z dużymi trudnościami w pomiarze różnic napięcia powierzchniowego w niewielkich przedziałach temperatur. W związku z tym określenie współczynników prostej ma jedynie charakter szacunkowy.

10

---