Numer ćwiczenia: 6	Temat ćwiczenia: Wyznaczanie izoterm absorpcji substancji powierzchniowo czynnych na podstawie pomiarów napięcia powierzchniowego.	Data wykonania ćwiczenia: 20.05.2008
				Data oddania sprawozdania: 21.05.2008
Grupa:	Imię i nazwisko:	Nazwisko sprawdzającego: dr Joanna Kowal

1. Cel ćwiczenia:

Celem przeprowadzonego ćwiczenia było wyznaczanie izoterm absorpcji dwóch substancji powierzchniowo czynnych, tj. butanolu i pentanolu na podstawie pomiarów napięcia powierzchniowego metodą tensometryczną, polegającą na pomiarze siły potrzebnej do oderwania platynowego pierścienia od powierzchni cieczy.

2. Przebieg ćwiczenia:

1. Przygotowano dwie serie po 6 roztworów butanolu i propanolu, poprzez zmieszanie 10 cm³ odpowiedniego alkoholu i takiej samej objętości wody 4-krotnie destylowanej.

2. Pobierano po 10 cm³ wody i alkoholu z kolejnych roztworów i przygotowano roztwory o coraz większym rozcieńczeniu.

3. Zmierzono tensometrem siłę konieczną do oderwania pierścienia platynowego od warstwy cieczy dla każdego roztworu, przy czym pomiędzy pomiarami oby alkoholi drucik poddano prażeniu.

3. Wyniki ćwiczenia:

Wyniki pomiarów zebrano w poniższej tabeli:

T, p = const

Nr roztworu	Stężenie [mol/dm^3]	Odczyt na tensjometrze [mN/m]
BUTANOL
1a	0,2500	64,3
2a	0,1250	69,8
3a	0,0625	72,5
4a	0,0313	74,4
5a	0,0156	75,2
6a	0,0078	75,7
PROPANOL
1b	0,1250	48,7
2b	0,0625	57,8
3b	0,0313	64,9
4b	0,0156	69,9
5b	0,0078	72,3
6b	0,0039	74,5

4. Opracowanie wyników:

1. Obliczono wartości napięcia powierzchniowego zgodnie ze wzorem,

gdzie: σ - napięcie powierzchniowe roztworu,

f - współczynniki poprawkowy,

W - maksymalna wartość odczytana ze wskazań tensometru,,

d_H2O - gęstość wody.

Wyniki zebrano w poniższej tabeli:

Stężenie [mol/dm^3]	σ [mN/m]	Stężenie [mol/dm^3]	σ [mN/m]
BUTANOL		PROPANOL
0,2500	60,1203	0,1250	44,8361
0,1250	65,6156	0,0625	53,6975
0,0625	68,3336	0,0313	60,7171
0,0313	70,2544	0,0156	65,7160
0,0156	71,0651	0,0078	68,1318
0,0078	71,5724	0,0039	70,3557

2. Sporządzono dla każdego z alkoholi wykres zależności napięcia powierzchniowego od stężenia:

Na podstawie współczynnika korelacji równego niemalże 1 wnioskuje się, że dopasowanie do punktów funkcji kwadratowej dobrze wiąże napięcie powierzchniowe ze stężeniem. Sam układ punktów na wykresie jest zgodny z danymi literaturowymi.

3. Dla kilku wartości napięcia powierzchniowego sprawdzono zgodność z regułą Traubego, która mówi, że każda nowa grupa CH₂ wprowadzona do łańcucha węglowodorowego zwiększa ok. 3,2 razy zdolność substancji do obniżania napięcia powierzchniowego.

Korzystając z równań regresji liniowych funkcji
, obliczono dla trzech wartości napięcia powierzchniowego, tj. 65, 60 i 55 [mN/m] stężenia wynikające z prawa Traubego poprzez rozwiązanie równań kwadratowych. Wyniki zebrano w poniższej tabeli:

BUTANOL		PENTANOL		Stosunek cbut/cprop
σ [mN/m]	c [mol/dm^3]	σ [mN/m]	c [mol/dm^3]
65	0,1350	65	0,0183	7,3805
60	0,2538	60	0,0352	7,2198
55	0,4100	55	0,0550	7,4593

Porównując, wartości stężeń dla tej samej wartości napięcia, stwierdzono, że stosunek stężeń
w związku z czym reguła Traubego nie jest spełniona. Powodem odstępstwa są warunki wykonywania pomiarów.

4. Wyznaczono dla obu alkoholi nadwyżki powierzchniowe metodą graficzną korzystając z równania adsorpcji Gibasa:

,

gdzie: Γ - nadwyżka powierzchniowa,

c - stężenie,

R - uniwersalna stała gazowa,

T - temperatura,

σ - napięcie powierzchniowe.

Ponieważ dla surfaktantów napięcie powierzchniowe maleje wraz ze stężeniem, wobec czego znak różniczki we wzorze Gibasa Ti „minus”, a zatem nadwyżka powierzchniowa w tym wypadku obliczana jest ze wzoru:

Wartość
znajduje się różniczkując równanie linii trendu dopasowanej do punktów na wykresie zależności σ=f(c). Zatem:

*) dla butanolu:

**) dla pentanolu:

Wyniki zebrano w tabeli:

BUTANOL			PENTANOL
c [mol/dm^3]		Γ [kmol/m^2]	c [mol/dm^3]		Γ [kmol/m^2]
0,2500	-38,0225	3,8776	0,1250	-59,8400	3,0513
0,1250	-47,1898	2,4062	0,0625	-210,4150	5,3646
0,0625	-51,7734	1,3200	0,0313	-285,7025	3,6420
0,0313	-54,0652	0,6892	0,0156	-323,3463	2,0609
0,0156	-55,2111	0,3519	0,0078	-342,1681	1,0905
0,0078	-55,7840	0,1778	0,0039	-351,5791	0,5602

5. Dla każdego alkoholu narysowano wykres zależności Γ od stężenia:

Dla wykresu =f(c) dla pentanolu pominięto punkt dla stężenia 0,125mol/dm³ ze względu na znaczne odstępstwa od przewidywań.

Analizując otrzymane wykresy, stwierdzono, że otrzymane izotermy adsorpcji Langmuira wykazują charakterystyczny przebieg krzywych. W obu przypadkach współczynnik korelacji wynosi jeden, co świadczy o precyzji wykonanych pomiarów
i dopasowaniu odpowiedniej krzywej do punktów na wykresie.

6. Obliczono wielkości c/ i sporządzono wykresy c/=f(c):

BUTANOL			PENTANOL
c [mol/dm^3]	Γ [kmol/m^2]	c/ Γ	c [mol/dm^3]	Γ [kmol/m^2]	c/ Γ
0,2500	3,8776	64,4737	0,1250	3,0513	40,9667
0,1250	2,4062	51,9488	0,0625	5,3646	11,6505
0,0625	1,3200	47,3496	0,0313	3,6420	8,5804
0,0313	0,6892	45,3425	0,0156	2,0609	7,5815
0,0156	0,3519	44,4014	0,0078	1,0905	7,1645
0,0078	0,1778	43,9454	0,0039	0,5602	6,9727

Podobnie jak w przypadku wykresu =f(c) dla pentanolu pominięto punkt dla stężenia 0,125mol/dm³ ze względu na znaczne odstępstwa od przewidywań.

Wyniki doświadczalne są zgodne z literaturową izotermą Langumira, gdy zależności c/=f(c) są prostoliniowe, bliskie jedności są też współczynniki korelacji.

7. Na podstawie równań linii trendu wyliczono wartości stałych Γ_∞ oraz A:

Ponieważ liniowa postać izotermy Langumira ma postać

,

To wartości A i Γ_∞ można wyznaczyć z równania linii trendu o równaniu ogólnym y=ax+b:

Γ_∞ =

A = b ∙Γ_∞

*) dla butanolu

Γ_∞ = 0,0118 mol/m²

A = 42,653 0,0118 = 0,503

**) dla pentanolu:

Γ_∞ = 0,0124 mol/m²

A = 6,4486 0,0124 = 0,080

1. Podsumowanie:

Celem przeprowadzonego ćwiczenia było wyznaczenie izoterm absorpcji dwóch substancji powierzchniowo czynnych, tj. butanolu i pentanolu na podstawie pomiarów napięcia powierzchniowego metodą tensometryczną, polegającą na pomiarze siły potrzebnej do oderwania platynowego pierścienia od powierzchni cieczy.

Wyniki doświadczenia potwierdziły, że napięciem powierzchniowym można manipulować poprzez dobór odpowiedniej substancji rozpuszczonej i poprzez odpowiednie jej stężenie. Wraz ze wzrostem stężenia substancji powierzchniowo czynnej malało napięcie powierzchniowe, co jest zgodne z oczekiwaniami, albowiem surfaktanty to substancje, których zadaniem jest obniżanie napięcia powierzchniowego roztworu w którym się znajdują.

Otrzymane izotermy spełniają równanie Langmuira ponieważ zależności
są prostoliniowe dla obu alkoholi. Nie udało się natomiast potwierdzić reguły Traubego, czego przyczyną mogły być niedokładnie przygotowane roztwory alkoholi lub zbyt szybkie opuszczanie podnośnika, czego skutkiem mogło być zaobserwowanie wartości, która nie była najwyższą możliwą dla danego roztworu.

Poza tym pamiętać należy, że model adsorpcji podany przez Langmuira jest pewnym uproszczeniem, zakładającym powstawanie monomolekularnej warstwy, co nie jest zawsze prawdą, bowiem mogą się tworzyć złożone warstwy adsorbentu w różny sposób powiązane. Prawdopodobnie zjawiska, których teoria nie ujmuje w swoje ramy wpływają na wygląd izotermy, a różne odstępstwa są wynikiem właśnie tych rozbieżności między teorią
a rzeczywistością.

Na podstawie powyższej teorii, uwzględniając masę adsorbentu oraz znając szybkości absorpcji i desorpcji, można obliczyć liczbę moli substancji zaadsorbowanej przez jednostkową masę adsorbentu.

1

---