Paweł Tecmer

2004-12-10

ĆWICZENIE NUMER 20

WPŁYW SUBSTANCJI POWIERZCHNIOWO CZYNNYCH NA NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE. IZOTERMA ADSORPCJI GIBBSA.

1. Wstęp teoretyczny

• Substancje powierzchniowo czynne - grupa związków chemicznych, których cząsteczki są zbudowane z 2 elementów o przeciwnym powinowactwie do wody — z części hydrofobowej (o małym powinowactwie do wody) oraz części hydrofilowej (o dużym powinowactwie do wody); część hydrofobową stanowi najczęściej alifatyczna lub alkiloaromatyczna grupa węglowodorowa zawierająca 10-22 atomów węgla, część hydrofilową — ugrupowanie o charakterze soli (np. -COONa, -SO₃Na, -N(CH₃)₃Cl) lub większa liczba polarnych grup org. (np. -OH, -CH₂-O-). Charakterystyczną cechą wszystkich substancji powierzniowo czynnych jest zdolność do adsorbowania się na granicy faz, tj. gromadzenia się rozpuszczania w wodzie cząsteczek substancji powierzniowo czynnych na powierzchni zetknięcia roztworu z fazą gazową (powietrze), ciekłą (np. olej) lub stałą (powierzchnia naczynia, tkaniny itp.); obniża to napięcie powierzchniowe na granicy faz lub zmienia ładunek powierzchniowy i dzięki temu substancja powierzniowo czynna wykazuje właściwości emulgujące, myjące i piorące. Substancje powierzniowo czynne dzieli się na związki anionowo czynne, kationowo czynne, amfoteryczne i niejonowe.

Wpływ związków powierzchniowo czynnych na napięcie powierzchniowe można obliczyć za pomocą równania Szyszkowskiego:

gdzie:

- to napięcie powierzchniowe roztworu

- napięcie powierzchniowe czystego rozpuszczalnika

c - stężenie substancji powierzchniowo czynnej w roztworze

a i b - to stałe zależne od rodzaju substancji

Gdy mamy do czynienia z roztworami silnie rozcieńczonymi, czyli bc<<1 to równanie Szyszkowskiego przyjmuje następującą postać:

, co oznacza, że napięcie powierzchniowe tych roztworów malej liniowo ze wzrostem stężenia substancji powierzchniowo czynnej.

• Adsorpcja - proces zachodzący na granicy dwu faz, w wyniku którego stężenie substancji na granicy faz jest większe (adsorpcja dodatnia) lub mniejsze (adsorpcja ujemna) niż w głębi fazy. Substancja ulegająca adsorpcji (dodatniej), zwane adsorbatem, gromadzi się na powierzchni adsorbentu. Adsorpcja może zachodzić na powierzchni cieczy lub ciał stałych.

• Napięcie powierzchniowe - praca potrzebna do utworzenia (w procesie izotermicznym) jednostkowego pola powierzchni rozdziału 2 faz (np. cieczy i jej pary nasyconej). Jeśli powierzchnia jest ograniczona (np. warstwa roztworu mydła otoczona metaliczną ramką), to napięcie powierzchniowe jest liczbowo równe sile działającej na jednostkę długości obwodu powierzchni i skierowanej prostopadle do niego. Napięcie powierzchniowe jest związane z istnieniem wzajemnego przyciągania między cząsteczkami. Na cząsteczkę znajdującą się wewnątrz cieczy działają siły znoszące się wzajemnie, natomiast na cząsteczkę w warstwie powierzchniowej działa pewna siła wypadkowa skierowana do wnętrza cieczy. Warstwa powierzchniowa wywiera na ciecz ciśnienie, zwane ciśnieniem wewnętrznym cieczy. Napięcie powierzchniowe zależy od temperatury (dąży do zera, gdy temperatura cieczy dąży do temperatury kryt.; krytyczny stan), rodzaju i składu cieczy (powierzchniowo czynne substancje). Istnienie napięcia powierzchniowego pozwala wyjaśnić wiele zjawisk, np. powstawanie piany, włoskowatość, menisk; jednostką napięcia powierzchniowego jest N/m.

Napięcie powierzchniowe ulega najczęściej obniżeniu albo nieznacznemu podwyższeniu wraz ze wzrostem substancji rozpuszczonej. Przyczyną takich zmian jest adsorbowanie się cząsteczek substancji w warstewce powierzchniowej roztworu i gromadzenie w głębi roztworu. Opis ilościowy powyższych zjawisk przedstawia tzw. równanie adsorpcji powierzchniowej Gibbsa:

, gdzie
- oznacza nadmiar substancji rozpuszczonej w warstwie powierzchniowej w porównaniu z wnętrzem roztworu, odniesiony do 1cm³ powierzchni, c -stężenie roztworu,
- napięcie powierzchniowe, R - stała gazowa, T - temperatura

, a
- zmiana napięcia powierzchniowego wywołaną nieskończenie małą zmianą stężenia roztworu, pod stałym ciśnieniem i temperaturą.

• Metoda przerwania błonki powierzchniowej - opiera się na proporcjonalnej zależności pomiędzy ciśnieniem potrzebnym do przerwania błonki powierzchniowej i napięciem powierzchniowym tej błonki. Istnieją dwa rodzaje aparatów, za pomocą których można mierzyć napięcie powierzchniowe tą metodą:

-,,nadciśnieniowe'' - w celu przerwania błonki powierzchniowej wywołuje się ciśnienie wyższe od atmosferycznego( aparat taki jest przedstawiony na rysunku a). W aparacie tym błonka powierzchniowa zostaje przerwana przez nadciśnienie wywołane w rurce manometrycznej w wyniku dodawania wody do prawej gałęzi manometru.

- ,, podciśnieniowe'' - wywołuje się ciśnienie niższe od atmosferycznego ( rysunek b). w aparacie przedstawionym na rysunku b błonka powierzchniowa zostaje przerwana przez ciśnienie atmosferyczne, gdy w aparacie zostanie obniżone ciśnienie. Następuje to gdy wylewamy wodę ze zbiornika Z przy zamkniętych kranach 1 i 3.

2. Literatura:

3. Wykaz substancji chemicznych stosowanych w zadaniu oraz numery kart charakterystyk.

Nazwa substancji	Numer karty	Zagrożenia - symbole i opis	Środki bezpieczeństwa
Alkohol etylowy 96%	64-17-5	R:11oznacza, że jest łatwopalny	S:7-16 :przechowywać pojemnik szczelnie zamknięty, z dala od źródła zapłonu
n-propanol	71-23-8	R: 11-41-67: Produkt wysoce łatwo palny. Ryzyko poważnego uszkodzenia oczu. Pary mogą wywoływać uczucie senności i zawroty głowy.	S: 7-16-24-26-39: Przechowywać pojemnik szczelnie zamknięty. Nie przechowywać w pobliżu źródeł zapłonu nie palić tytoniu. Unikać zanieczyszczenia skóry. Zanieczyszczone oczy przemyć natychmiast dużą ilością wody i zasięgnąć porady lekarza. Nosić okulary lub ochronę twarzy.
n - butanol	71-63-3	R: 10-22-37/38-41-67:Palny, szkodliwy po spożyciu, drażniący dla układu oddechowego oddechowego skóery, niebezpieczeństwo poważnego uszkodzenia iczu, opary mogą powodować senność i zawroty głowy	S: nie dotyczy
2-propanol	67-63-0	R: 11-36-67: łatwopalny, drażniący dla oczu, opary mogą powodować senność i zawroty głowy	S: 7-16-24/25-26: przechowywać pojemnik szczelnie zamknięty i zapłonu dala od źródeł zapłonu, unikać kontaktu ze skórą iż oczami, w przypadku kontaktu z oczami przemywać natychmiast dużą ilością wody, konsultować się z lekarzem.

4.Oświadczenie:

Oświadczam, że zapoznałem się z kartami charakterystyk w/w substancji i znane mi są właściwości tych substancji, sposoby bezpiecznego postępowania z nimi oraz zasady udzielania pierwszej pomocy w nagłych przypadkach.

……………………………………..

5. Cel wykonania ćwiczenia:

Celem wykonania ćwiczenia 20 jest wyznaczenie wpływu substancji powierzchniowo czynnych o różnych stężeniach roztworu na napięcie powierzchniowe roztworu. Zadanie to pozwala na praktyczne wykorzystanie równania Szyszkowskiego i izotermy adsorpcji Gibbsa. W ćwiczeniu 20 uczymy się korzystać z aparatu podciśnieniowego i wyznaczać za jego pomocą napięcie powierzchniowe roztworu.

4

---