GRUPA NR: ZESPÓŁ:	ĆWICZENIE NR: 2 Wyznaczanie napięcia powierzchniowego cieczy metodą stalagmometryczną i pęcherzykową.	DATA WYKONANIA ĆWICZENIA:
ZESPÓŁ: 1.			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:

,
.

2. CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie napięcia powierzchniowego dla roztworu 2% n-butanolu w wodzie w zależności od temperatury.

3. ZADANE PARAMETRY:

Dany jest roztwór n-butanolu w wodzie o stężeniu 2%. Należy wyznaczyć napięcie powierzchniowe roztworu metodą stalagnometryczną oraz metodą pęcherzykową w temperaturze od ok. 20 ⁰C do ok. 40 ⁰C z odstępami pięciostopniowymi.

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:

a) metoda pęcherzykowa

Substancja	Różnica ciśnień [cm H2O]	Średnia różnica ciśnień [cm H2O]	Temperatura [^oC]
Woda	12,9	13,0	19
				13,1
				13,0
				12,7	12,7	26
				12,6
				12,8
				12,5	12,5	32
				12,6
				12,4
				12,3	12,33	38
				12,4
				12,3
	Roztwór			8,3	8,37	19
				8,4
				8,4
				8,2	8,23	26
				8,3
				8,2
				8,1	8,13	32
				8,2
				8,1
				7,9	7,93	38
				8,0
				7,9

zanurzenie kapilary w roztworze:

b) metoda stalagmometryczna

Substancja	Ilość kropli n	Objętość V [cm^3]	Średnia ilosć kropel nśr
Roztwór	213	8	214
		215		8
	Woda	119		8	119
		119		8

promień stopki stalagmometru

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:

.

Temperatura T [^oC]	Napięcie powierzchniowe wody [J/m^2]	Napięcie powierzchniowe roztworu [J/m^2]
19	0,073	0,047
26	0,072	0,046
32	0,071	0,045
36	0,07	0,044

Zależność napięcia powierzchniowego od temperatury, przy stałym stężeniu n-butanolu:

Porównanie metody stalagmometrycznej i pęcherzykowej:

Obliczenie względnej różnicy procentowej:

6. DYSKUSJA WYNIKÓW:

Wykres zależności napięcia powierzchniowego od temperatury (przy zadanym składzie mieszaniny) można z bardzo dobrym przybliżeniem potraktować jako linię prostą. W związku z tym, że współczynnik kierunkowy jest ujemny, napięcie powierzchniowe liniowo maleje ze wzrostem temperatury. Tempo spadku wartości napięcia pow. jest niewielkie: około 0.0002 N/m, na każdy wzrost temperatury o 1 ^oC.

7. WNIOSKI KOŃCOWE:

Przyczyny trudności i ewentualnych błędów:

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

2. Aby cylinder z badaną cieczą mógł się ogrzać, potrzeba było pewnego czasu, więc mogły wystąpić błędy odczytu temperatury roztworu.

3. W metodzie stalagmometrycznej mógł wystąpić błąd z powodu ewentualnego zanieczyszczenia stopki stalagmometru.

4. W wyniku wibracji tworzonych przez termostat zlewka z roztworem cały czas się przesuwała.

---