Ćwiczenie 20

Wpływ substancji powierzchniowo czynnych na napięcie powierzchniowe. Izoterma absorpcji Gibbsa.

Opis wykonania ćwiczenia:

Włączyć wszystkie urządzenia termostatu. Termometr kontaktowy nastawić na temperaturę 298 K (25°C).

Dolną część naczyńka pomiarowego dokładnie umyć wodą wodociągową i wypłukać wodą destylowaną (nie wolno stosować do mycia naczyńka żadnych detergentów). Nakrętki oraz kapilary nie myć. Kapilarę z zewnątrz wytrzeć bibułką.

Wykonać pomiar napięcia powierzchniowego wody dla wody destylowanej. W ten sposób otrzymuje się wartość h _woda - różnicę poziomów w manometrze, odpowiadającą zerowemu (c=0) stężeniu substancji powierzchniowo czynnej.

Przygotować 7 roztworów o różnych stężeniach, przez odpowiednie rozcieńczenie roztworu podstawowego w kolbie miarowej o pojemności 50 cm³. Najbardziej rozcieńczony roztwór powinien zawierać nie mniej niż 2 cm³ roztworu podstawowego, natomiast najmniej rozcieńczony roztwór - 40-42 cm³ roztworu podstawowego.

Wykonanie pomiaru napięcia powierzchniowego metodą Rebindera (modyfikacja podciśnieniowa).

Nalać badanej cieczy do dolnej części naczyńka pomiarowego (do kreski), zamknąć naczynie - końcówka kapilary musi być powyżej poziomu badanej cieczy. Połączyć naczynie z pozostałą częścią aparatury i zanurzyć w termostacie. Poziom cieczy w naczyniu pomiarowym powinien być 2-3 cm poniżej poziomu cieczy w termostacie.

Otworzyć kranik zamykający kontakt rurki „X” z atmosferą, celem wyrównania poziomów cieczy w manometrze. Napełnić zbiornik umieszczony z tyłu manometru wodą destylowaną i następnie napełnić biuretę wodą.

Po upływie 10 min. od chwili ustalenia się temperatury w termostacie, zamknąć kran przy rurce „X” i powoli wypuszczać wodę z biurety. Doprowadzić do styku kapilary z powierzchnią cieczy przez ostrożne wciskanie (ruchem obrotowym) kapilary w tulejkę gumową, przy ciągłym, powolnym wypływie wody z biurety. W momencie pojawienia się pierwszych pęcherzyków powietrza przy końcówce kapilary, zmniejszyć wypływ wody z biurety. Odczytać różnicę poziomów (h_x) w ramionach manometru w momencie przerwania błonki powierzchniowej w kapilarze.

Przerwać styk kapilary z powierzchnią cieczy przez ostrożne wykręcenie rurki z tulejki. Wyrównać poziom cieczy w ramionach manometru przez otworzenie kranu X. W ten sposób powtórzyć pomiar trzykrotnie.

Analogicznie wykonać pomiary dla pozostałych roztworów.

Wykonać pomiar napięcia powierzchni owego nierozcieńczonego roztworu badanego (wydanego przez prowadzącego ćwiczenia). W ten sposób uzyskuje się wartość h_max - różnicę poziomów w manometrze, odpowiadającą maksymalnemu stężeniu substancji powierzchniowo czynnej.

Po zakończeniu pomiarów wyłączyć termostat z sieci elektrycznej oraz umyć naczynia szklane.

Podstawowe zależności matematyczne:

Równanie Gibbsa:

[N/m²]

Równanie Szyszkowskiego:

[N/m²]

gdzie: δ - napięcie powierzchniowe roztworu [N/m]

δ₀ - napięcie powierzchniowe wody [N/m]

α,β - stałe

c - stężenie substancji powierzchniowo czynnej [mol/dm³]

Różniczkując i podstawiając otrzymujemy:

w warunkach granicznych - przy dużym stężeniu substancji powierzchniowo czynnej, gdy powierzchnia międzyfazowa jest wysycona - można pominąć jedność - wówczas:

[mol/m²]

Znajomość Γ_∞ pozwala obliczyć powierzchnię S₀ przypadającą na część hydrofilową cząsteczki substancji powierzchniowo czynnej:

[m²/cząsteczkę]

gdzie: N - liczba Avogadro

Przy dużych stężeniach substancji powierzchniowo czynnej można w równaniu Szyszkowskiego przyjąć, że 1<<βc. Wówczas z przekształcenia równania otrzymujemy:

i po przekształceniu otrzymujemy równanie prostej:

gdzie:

Wyniki obliczeń:

nr roztworu	cm^3 wody	cm^3 roztworu podstawowego	h [cm]	c[mol/m^3]	ln c	σ [N/m]	σ	/(1+c)	
woda	50	0	101	0	-	0,07197	-	0,3834	0
1	48	2	98	2	0,6931	0,06983	0,00214	0,2170	1,70E-06
2	40	10	82	10	2,3026	0,05843	0,01354	0,0793	3,11E-06
3	35	15	77	15	2,7081	0,05487	0,01710	0,0568	3,34E-06
4	30	20	75	20	2,9957	0,05344	0,01853	0,0442	3,46E-06
5	25	25	71	25	3,2189	0,05059	0,02138	0,0362	3,55E-06
6	20	30	69	30	3,4012	0,04917	0,02280	0,0307	3,60E-06
7	15	35	65	35	3,5553	0,04632	0,02565	0,0266	3,64E-06
8	10	40	63	40	3,6889	0,04489	0,02708	0,0235	3,68E-06
alkohol propylowy	0	50	55	50	3,9120	0,03919	0,03278	0,0190	3,72E-06

c_max = 50 mol/m³

α = 0,0097 N/m²

β = 0,3834 N/m²

Γ_∝ = 3,915 × 10^-6 mol/m²

S₀ = 4,24 × 10^-19 m²/cząsteczkę

Wnioski:

Dodatek alkoholu propylowego, który jest substancją powierzchniowo czynną, do wody powoduje obniżenie napięcia powierzchniowego. Na wykresie σ = f(c) widoczna jest liniowa zależność napięcia powierzchniowego roztworu od stężenia alkoholu propylowego.

Wykres Δσ = f(ln c) wskazuje na wykładniczą zależność przyrostu napięcia powierzchniowego od logarytmu naturalnego stężenia substancji powierzchniowo czynnej, jednakże z jego prostoliniowego zakresu można z dość dobrą dokładnością określić stałe α i β równania Szyszkowskiego. Warunek 1<<βc jest prawdziwy dla stężeń, dla których ln c przekracza wartość dla punktu przegięcia krzywej powstałej na podstawie punktów na wykresie Δσ = f(ln c), czyli powyżej około 25 mol/m³.

Wykres zależności Γ = f(c) pokazuje zależność stężenia substancji powierzchniowo czynnej w warstwie powierzchniowej roztworu od stężenia tej substancji w roztworze. Widzimy, że początkowo stężenie to szybko rośnie aż do osiągnięcia pewnej wartości stałej, gdy warstwa powierzchniowa staje się wysycona.

---