Politechnika Wrocławska	Sprawozdanie z ćw. Nr 33A
Autor: Magdalena Jatczak Nr albumu: 168717	Temat : Pomiar napięcia powierzchniowego cieczy
Wydział Chemii, Kierunek: Biotechnologia, rok I	Data: 20. 03. 2009	Ocena:

Wstęp teoretyczny:

Na granicznej powierzchni cieczy zachodzą procesy powodujące, że powierzchniowa warstwa jej cząsteczek ma odmienne właściwości niż pozostała ich masa. Poszczególne cząsteczki we wnętrzu cieczy są jednakowo przyciągane i odpychane przez pozostałe w wyniku czego wypadkowa sił wzajemnego oddziaływania pomiędzy nimi jest równa zeru.

Cząsteczki z warstwy powierzchniowej na skutek ruchów termicznych chcą oderwać się od powierzchni cieczy, jednakże na skutek przewagi przyciągania nad odpychaniem ze wzrostem odległości (co wykazano omawiając siły van der Waalsa) w przeważającej części są one wciągane z powrotem do cieczy. Cząsteczki na powierzchni są więc silniej przyciągane z jednej strony.

W efekcie wciągania cząsteczek wgłąb cieczy pojawiają się dwie wypadkowe

tych sił:

1. Prostopadła do powierzchni kropli która sprawia, że warstwa powierzchniowa wywiera na resztę cieczy powierzchniowe ciśnienie molekularne p_m.

O tym ciśnieniu nie wspomina się w wielu podręcznikach, tymczasem to ono

jest praprzyczyną występowania napięcia powierzchniowego - punkt 2.

Wielkość tego ciśnienia zależy od rodzaju cieczy. Teoretycznie można to ciśnienie obliczyć, znając np. współczynnik termicznej rozszerzalności (α)

i ciśnieniowej ściśliwości (β) cieczy, o której była mowa we wstępie:

p_m = T * α/β

Daje to np. dla wody powierzchniowe ciśnienie = 1700 atmosfer.

Istnienie tego ciśnienia nie ulega wątpliwości, jednakże interpretacja takich

wyliczeń budzi kontrowersje. Ciśnienie to powoduje ściskanie całej kropli.

2. Na skutek wciągania cząsteczek z powierzchni do środka cieczy pojawić się musi, na skutek kurczenia się powierzchni, siła składowa równoległa (styczna)

do powierzchni kropli, która powoduje wystąpienie sił odpychania pomiędzy cząsteczkami na powierzchni kropli leżących zbyt blisko siebie. Ponieważ przez wnętrze kropli cząsteczki te są dalej przyciągane, w efekcie uzyskuje się całkowite uporządkowanie się powierzchni kropli i pojawienie się symetrii.

Siła styczna oddziałuje na cząsteczki na powierzchni kropli i dąży do utworzenia identycznego otoczenia każdej z cząsteczek na powierzchni. Gdy ta siła stanie się jednakowa dla każdej cząsteczki na powierzchni kropli oznaczać to będzie przyjmowanie przez kroplę kształtu kulistego, a więc takiego, przy którym stosunek powierzchni do objętości jest najmniejszy. Siła ta jest dużo mniejsza od siły prostopadłej do powierzchni kropli. Kropla cieczy dąży do przejścia w stan najniższy energetycznie czyli taki, w którym wszystkie siły działające na jej cząsteczki są zrównoważone a energia kinetyczna cząsteczek zmierza do minimum. Krople cieczy przyjmują kształt energetycznie najkorzystniejszy. Przy braku działania innych sił jak siła grawitacji czy zwilżania jest to kształt kulisty, a każde odchylenie od tego stanu wymaga nakładu energii ponieważ pociąga za sobą zmianę kształtu co wiąże się ze zwiększeniem powierzchni czyli

z przesunięciem części cząsteczek z wnętrza fazy ciekłej na powierzchnię kropli.

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE

danej cieczy na granicy z inną fazą jest to praca potrzebna do izotermicznego wytworzenia nowej powierzchni cieczy zużyta na wydobycie cząsteczek z wnętrza cieczy na powierzchnię.

Oznaczając powierzchnię przez S, a pracę przez W, możemy napisać :

W = σ * S

przy czym współczynnik proporcjonalności σ (sigma) oznacza napięcie powierzchniowe. Z równania widać, że napięcie powierzchniowe jest liczbowo równe pracy potrzebnej do zwiększenia powierzchni cieczy o 1 m² i ma wymiar J/m² lub N/m.

Napięcie powierzchniowe zależy w znacznym stopniu od:

a) rodzaju cieczy

b) temperatury - przy wzroście temperatury napięcie powierzchniowe

maleje.

c) zawartości domieszek w cieczy - mechanizm działania SPC

Środków Powierzchniowo Czynnych (tzw. tenzydów)

Napięcie powierzchniowe można mierzyć kilkoma metodami:

• kapilarną

• stalagmometryczną (stalagmometr Traubego)

• pęcherzykową.

• podobnej do niej metody odrywania płytki

Cel ćwiczenia:

Nasze doświadczenie dotyczy pomiaru napięcia powierzchniowego przy pomocy wagi torsyjnej, tzw. Metodą odrywania.

Wnioski:

Powyższe doświadczenie miało na celu pomiar napięcia powierzchniowego metodą odrywania płytki metalowej od powierzchni cieczy. Istnieją jeszcze inne metody pomiaru np.: za pomocą kapilary, stalagmometru lub metody pęcherzykowej. Porównując wyniki tego doświadczenia z danymi zawartymi w odpowiednich tabelach (właściwości fizyczne wody destylowanej), stwierdzam że są to wyniki poprawne, choć nieco różniące się od danych zawartych w tabeli. Różnice te najprawdopodobniej wynikają z samej metody pomiaru która nie jest zbyt prosta do wykonania. Wynika to stąd, że sam pomiar siły w momencie oderwania płytki od cieczy silnie zależał od refleksu i spostrzegawczości obsługującego. Dodatkowe błędy biorą się prawdopodobnie z obecności zanieczyszczeń, bowiem nawet niewielkie ilości obcych substancji mogą zmienić wartość napięcia powierzchniowego. Również i temperatura otoczenia wywiera istotny wpływ na wynik napięcia powierzchniowego. Napięcie to maleje liniowo wraz ze wzrostem temperatury. Ponadto dodatkowymi czynnikami mogą być ruchy powietrza w laboratorium.

Substancje takie jak płyn do mycia naczyń: ludwik, zmniejszają znacznie napięcie powierzchniowe wody, czego efektem jest ułatwienie mycia, tzn. wiązania i usuwania cząstek brudu i kurzu.

---