ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ

LABORATORIUM STUDENCKIE

TEMAT ĆWICZENIA 7 :

Absorpcja na granicy faz roztwór - gaz.

Izoterma adsorpcji Gibbsa.

ĆWICZENIE WYKONAŁY:

WPROWADZENIE:

Napięcie powierzchniowe jest własnością cieczy, odróżniającą ją do gazu. Warunkuje spójność cieczy i powstanie powierzchni międzyfazowej ciecz - gaz.

Każda cząsteczka znajdująca się wewnątrz fazy ciekłej jest równomiernie otoczona przez inne cząsteczki i ma wysycane siły wzajemnego oddziaływania. Natomiast cząstki położone na powierzchni cieczy znajdują się w zupełnie odmiennych warunkach. W dolnej części fazy ciekłej cząsteczki są otoczone mniej więcej równomiernie przez inne cząsteczki. Cząsteczki położone na graniczącej z fazą gazową powierzchni cieczy ulegają oddziaływaniu cząsteczek z wnętrza cieczy, gdyż oddziaływanie cząsteczek powierzchniowych z cząsteczkami gazu nad powierzchnią, są znikomo małe w porównaniu z siłami oddziaływania z cząsteczkami cieczy. Tak więc każda cząsteczka cieczy znajdująca się w warstwie powierzchniowej doznaje jednostronnego przyciągania od strony cząstek cieczy, a wypadkowa sił działa prostopadle do powierzchni i jest skierowana do wnętrza cieczy. W związku z tym, cząsteczka cieczy w warstwie powierzchniowej znajduje się pod działaniem sił wciągających ją do wnętrza cieczy. W skutek tego działania obok ciśnienia wewnętrznego występuje zjawisko napięcia powierzchniowego.

Napięcie powierzchniowe σ jest to zmniejszenie potencjału termodynamicznego układu G towarzyszące zmniejszeniu jego powierzchni A o jednostkę:

Wymiar tej wielkości jest J/m² lub N/m.

Równanie izotermy adsorpcji ustala zależność pomiędzy nadmiarem powierzchniowym zaadsorbowanych cząsteczek danej substancji, jej potencjałem chemicznym oraz napięciem powierzchniowym. Równanie izotermy Gibbsa przy stałej temperaturze i stałym ciśnieniu ma postać:

lub

Po przekształceniu otrzymujemy:

gdzie:

C - stężenie [mol/dm³];

R - uniwersalna stała gazowa [J/(molK)];

T - temperatura [K];

σ  napięcie powierzchniowe [N/m];

a - aktywność [ - ].

Na podstawie przebiegu funkcji σ = f(a) można wyznaczyć przebieg funkcji  = f(C). W tym celu należy wyznaczyć doświadczalnie zależność napięcia powierzchniowego od stężenia.

• DANE DOŚWIADCZALNE

Stężenie C2H5OH [% wag.]	Ciśnienie manometryczne [mm H2O]	Naparzenie powierzchniowe [N/m]
0	87	0,1204
10	63	0,1619
20	61	0,1689
30	55	0,1979
40	50	0,2399
50	47	0,2819
60	45	0,3239
70	42	0,4319
80	41	0,4919

1. Napięcie powierzchniowe obliczone jest z zależności:

gdzie:

σ_x - napięcie powierzchniowe badanej cieczy [N/m];

σ_w  napięcie powierzchniowe wody [N/m];

- 71,9810^-3 [N/m]

h_l - głębokość zanurzenia kapilary [m];

• 0,035 [m]

h₂ - ciśnienie manometryczne [mm H₂O];

- dane doświadczalne

ρ_w - gęstość wody [kg/m³];

• 1000 [kg/m³]

ρ_x - gęstość poszczególnych roztworów [kg/m³];

• dane literaturowe

2. Obliczenia aktywności alkoholu etylowego (a₂):

gdzie:

p₂ - prężność alkoholu nad jego roztworem wodnym [mm Hg];

- dane literaturowe

p₀₂ - prężność alkoholu nad czystym etanolem [mm Hg];

p₀₂ = 43,99 [mm Hg]

Lp.	Stężenie C2H5OH % wag.	x1	x2	ρ kg/m^3	p2 mmHg	a2	σx N/m		Z(-1)
1 2 3 4 5 6 7 8 9	0 10 20 30 40 50 60 70 80	1,00 0,458 0,911 0,857 0,794 0,719 0,631 0,524 0,391	0 0,042 0,089 0,143 0,206 0,281 0,369 0,476 0,609	998 998,2 969 954 935 914 891 868 843	0 6,7 12,6 17,1 20,7 23,5 25,6 28,0 31,2	0 0,006 0,025 0,056 0,097 0,150 0,215 0,303 0,432	0,1204 0,1619 0,1689 0,1979 0,2399 0,2819 0,3239 0,4319 0,4919	---- 26,983 6,756 3,5339 2,4732 1,8793 1,5065 1,4254 1,1386	---- 0,1619 0,1689 0,1979 0,2399 0,2819 0,3239 0,4319 0,4919	---- 0,0182 0,0071 0,0041 0,0028 0,0021 0,0017 0,0013 0,0011

3. Obliczenia wielkości „ Z ”

4. Obliczanie nadmiaru powierzchniowego  etanolu metodą analityczną.

4.1. Obliczanie współczynników „b” i „k”. Korzysta się z zależności:

Wzór regresji liniowej lnσ = f(lna₂) :

• Y = 0,2694X - 0,6673

Jak wynika stała k jest równa tangensowi nachylenia, a stała b równa jest wartości Y dla X

b =  0,6673

k = tg = 0,2694

5. Obliczanie nadmiaru powierzchniowego etanolu metodą graficzną.

Opis metody:

Styczne w różnych punktach krzywej σ = f (a) przedłuża się do przecięcia z osią rzędnych. Przez punkty styczności prowadzi się do przecięcia z osią rzędnych proste równoległe do osi odciętych. W ten sposób dla każdej wartości „a” zostaną wyznaczone odcinki „Z” na osi rzędnych.

Długość odcinka „Z” podzielona przez wartość aktywności odpowiadającego długości odcinka odciętej, równa się wartości „dσ/da” w punkcie stycznym.

Obliczając wartości stężeń powierzchniowych dla różnych punktów krzywej, na podstawie relacji:

można wykreślić izotermę  = f (a).

---