GRUPA NR: 23 ZESPÓŁ: 1	ĆWICZENIE NR: 2 Wyznaczanie napięcia powierzchniowego cieczy metodą stalagmometryczną i pęcherzykową.	DATA WYKONANIA ĆWICZENIA: 08.03.2010
ZESPÓŁ: Lulek Patrycja Kubik Agnieszka			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:

,
.

Warunek zwilrzalności- jeżeli mamy trzy fazy stykające się ze sobą ,to na granicy ich zetknięcia ustala sie równowaga sił napięcia powierzchniowego. Taki układ stanowią: ciało stałe, ciecz i gaz. Krople cieczy znajdujące się na powierzchni płaskiej ciała stałego tworzą z nią kąt  zwany kątem zwilżania. Tworzy sie on pomiędzy napięciem powierzchniowym c.stałego i cieczy, a napięciem cieczy i gazu.

1.) Przypadek nie zwilżania ciała stałego przez ciecz:

δSG =δSC+δCG*cos

 Przypadek zwilżania ciała stałego przez ciecz:

ciecz zwilżająca odnosi się do konkretnego ciała stałego np. woda nie zwilża wosku

jeżeli  > 90 oznacza to ze siły przyciągania atomów A przez atomy C nie są tak silne, jak siły przyciągania pomiędzy atomami A i ciecz nie zwilża ciała stałego.

*jeżeli  <90 , w tym przypadku pomiedzy atomami A i C istnieją stosunkowo duże siły przyciągania i ciecz

zwilża ciało stałe.

*jeżeli  = 0 ciecz rozlewa się całkowicie po powierzchni ciała stałego (całkowite zwilżanie)

*jeżeli  =180 to brak jest jakich kolwiek sił przyciągania pomiędzy cieczą i ciałem stałym (całkowity brak zwilżania)

2. CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie napięcia powierzchniowego dla roztworu 3% propanolu w wodzie oraz zbadanie zależności napięcia powierzchniowego od stężenia substancji rozpuszczonej .

3. ZADANE PARAMETRY:

Dany jest roztwór propanolu w wodzie o stężeniu 3%. Należy wyznaczyć napięcie powierzchniowe roztworu metodą stalagnometryczną oraz metodą pęcherzykową w temperaturze pokojowej.

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:

1. metoda pęcherzykowa

Temp. pomiaru: 20°C

Głębokość zanurzenia kapilary:

%obj	Różnica ciśnień [cm H2O]	Śr. różnica ciśnień [cm H2O]	Nadcisnienie [Pa]	Gęstość r-ru [ ]
3%	23,5	23,4	2291.41	990.5
			23,3
			23,4
	1%		29,0		29,5	2888.74	999.3
			30,0
			-
	0,5%		29,6		29,6	2898.53	999.3
			-
			-
	0,25%		29,7		29,7	2908.33	999.3
			-
			-
	Woda		32,0		31,6	3094.38	998.2
			31,4
			31,4

b) metoda stalagmometryczna

Badanie gęstości roztworu 3%_(mas.) propanol - woda.

m_{piknometru suchego} = 19,8974g

m_{piknometru z wodą} = 46,9062 g

m_wody =27,0088g

m_{piknometru z roztworem} = 46,6978 g

m_roztworu =26,8004g

Temperatura pomiarów T = 20 ^oC.

Gęstość wody w temperaturze 20 ^oC ρ_wody = 0,9982 g/cm³.

Gęstość roztworu:

Substancja	Ilość kropli n	Objętość V [cm^3]	Średnia ilosć kropel nśr
Roztwór	182	7,75	181
		180		7,75
	Woda	117		7,75	120
		123		7,75

6. Opracowanie wyników

a) 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 jest więc równe:

.

b) metoda pęcherzykowa

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:

GĘSTOŚĆ R-RU W FUNKCJI MASY PIKNOMETRU Z R-REM
	46.9399	46.9373	-
	999.3	999.3	999.3

Napięcie powierzchniowe r-ru jest równe:

Napięcie powierzchniowe wody w 20°C = 0,0725[J/m2]

Stężenie [%]	Napięcie powierzchniowe roztworu [J/m^2]
3	0.05339
1	0.06760
0,5	0.06784
0,25	0.06807

Porównanie metody stalagmometrycznej i pęcherzykowej:

Obliczenie względnej różnicy procentowej (3% r-r w T=20°C):

6. DYSKUSJA WYNIKÓW:

Zależność napięcia powierzchniowego od stężenia roztworu nie jest liniowa.

Zależność napięcia powierzchniowego roztworu od stężenia wiąże się ze zjawiskiem adsorpcji substancji rozpuszczonej.

Wpływ substancji rozpuszczonej na napięcie powierzchniowe zależy od tego, czy stężenie

tej substancji w warstwie powierzchniowej jest większe, czy też mniejsze, niż w głębi

roztworu. Dla propanolu napięcie powierzchniowe roztworu maleje wraz ze wzrostem stężenie, a więc propanol (tak jak wszystkie związki organiczne) jest substancją powierzchniowo czynna. Związki organiczne posiadają hydrofobowe grupy alkilowe, które odpychane przez wodę gromadzą się na powierzchni i obniżają napięcie powierzchniowe roztworu.

Przyczyny trudności i błędów:

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

2. Duży różnica pomiędzy wynikami mogła być spowodowana przez złe wysuszenie stalagmometru, przez co roztwór był bardziej rozcieńczony. Błąd mógł być też spowodowany przez ewentualnego zanieczyszczenia stopki stalagmometru.

(



.

1,385

36

.

0

0646

.

0

3

3





































W

W

W

W

W

F

f

F

f

F

r

V

f

F

---