27.01.2012r.

Sprawozdanie

Temat: Emulsje, twardość wody, kontrakcja objętości

Budownictwo Rok 1

Grupa 2/1

Wydział GiG

Rok akademicki 2011/2012

Wstęp teoretyczny

Emulsje

Emulsjami nazywamy dwufazowe, ciekłe układy dyspersyjne, czyli układy, w których w jednej cieczy, zwanej fazą ciągłą lub zewnętrzną, zawieszone są subtelne kropelki drugiej cieczy, zwanej fazą rozproszoną lub wewnętrzną. Emulsją jest mleko, majonez, kremy, maści, tzw. mleczka itp.

Układ emulsyjny dwóch nie mieszających się cieczy określamy jako olej w wodzie (O/W) jeżeli hydrofobowa faza,  zwana "olejem" jest zawieszona w postaci rozproszonej w fazie hydrofilowej, zwanej "wodą". Dla przypadku, gdy fazą ciągłą, zewnętrzną jest ciecz hydrofobowa ("olej") a cieczą zdyspergowaną jest ciecz hydrofilowa ("woda") mówimy o emulsji woda w oleju (W/O).

Określenia typu emulsji można dokonać pod mikroskopem, oglądając warstwę emulsji zabarwiona barwnikiem rozpuszczalnym w olejach (np. Sudan IV) lub w wodzie (np. oranż metylowy). Zabarwieniu ulegnie oczywiście ta faza, która rozpuszcza barwnik.

Emulgatory

Ponieważ w emulsjach powierzchnia styku dwóch faz (niemieszających się składników) jest bardzo duża, układ może być trwały tyko w przypadku, gdy siły napięcia powierzchniowego między fazami będą bliskie zeru. W przypadku przeciwnym faza rozproszona w bardzo krótkim czasie łączy się w fazę ciągłą i emulsja rozdziela się na dwie fazy ciągłe (zjawisko zwane koalescencją). Tak w przyrodzie, jak i w emulsjach tworzonych przez człowieka w celu obniżenia napięcia powierzchniowego między fazami wykorzystuje się substancje trzecie, zwane emulgatorami, tenzydami, środkami powierzchniowoczynnymi, których budowa powoduje, że umieszczają się one na granicy faz, jedną częścią "zanurzone" w fazie hydrofilowej a drugą w hydrofobowej. Tworząc taką monomolekularną warstewkę przyjmują na siebie "bycie granicą faz", a ponieważ ich powinowactwo do obu faz jest podobne, powodują praktycznie zanik napięcia powierzchniowego (dobre emulgatory) lub przynajmniej jego poważne obniżenie (środki powierzchniowe czynne) i tym sposobem stabilizują emulsje. Powinowactwo emulgatora do fazy olejowej i fazy wodnej określa parametr HLB ( Hydrophilic - Liophilic Balance). Wartość HLB, zależna głównie od budowy cząsteczki, a dokładniej od stosunku części hydrofilowej do hydrofobowej, określa, czy dany środek powierzchniowo czynny stabilizuje lepiej emulsje O/W czy W/O. Umownie przyjęto skale HLB w zakresie 1 - 40. Wartość 1 odnosi się do kwasu olejowego, wartość 40 do laurylosiarczanu sodowego. Emulgatory o HLB <10 pozwalają wytwarzać emulsje typu W/O (są lepiej rozpuszczalne w fazie niepolarnej). HLB powyżej 10 predysponuje emulgator do użycia w emulsji O/W. Liczba HLB charakteryzuje się addytywnością , tzn. dla mieszaniny emulgatorów można ją obliczyć na podstawie wartości HLB poszczególnych składników i ich względnego udziału w mieszaninie. 
 Farba emulsyjna (farba dyspersyjna) – rodzaj farby, zawiesina (dyspersja) cząstek stałych (pigmentów i wypełniaczy) w spoiwie i rozpuszczalniku (np. wodzie) z dodatkiem środków pomocniczych. Spoiwami farb dyspersyjnych są najczęściej dyspersje lub emulsje polimerów akrylowych i winylowych lub kopolimerów styrenowych, maleinowych i innych.

Twardość wody

Ze względu na to, że w wodach naturalnych zwykle występuje znaczna przewaga ilościowa jonów wapniowych i magnezowych w stosunku do wszystkich pozostałych wymienionych powyżej, za twardość wody uważa sie cechę wody, która określa ogólna zawartość w niej jedynie jonów wapniowych i magnezowych. Ich stężenie wyraża sie w mmol/dm3 lub w stopniach twardości. Jeżeli w wodzie obecne są w znacznych ilościach inne jony metali wywołujących twardość, powinny one również być uwzględnione.

Twardość wody wyraża sie w stopniach twardości, przeliczając sumaryczna zawartość wapnia i magnezu na zawartość CaO lub CaCO3. Dla przykładu 1 stopni twardości niemiecki odpowiada zawartości 10 mg CaO w 1 litrze wody, a 1 stopień twardości francuski odpowiada zawartości 10 mg CaCO3 w 1 litrze wody. Twardość wody wyrażona w stopniach niemieckich (x) oblicza sie wiec następująco:

x = (C_EDTA·V_EDTA·M_CaO·1000)/ (V_H2O·10)

gdzie V_EDTA (objętość EDTA potrzebna na zmiareczkowanie sumarycznej ilości wapnia i magnezu) i

V_H2O są wyrażone w mililitrach a M_CaO=56.08 mg/mmol.

Twardość węglanowa (przemijająca) - rodzaj twardości wody, która jest wywoływana głównie przez wodorowęglany: wapniowy Ca(HCO₃)₂ oraz magnezowy Mg(HCO₃)₂. Związki te przy ogrzewaniu wody rozkładają się do nierozpuszczalnych węglanów tworzących kamień kotłowy.

• Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

• Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃ + CO₂ + H₂O

Ze względu na łatwość usunięcia tego typu twardości (wystarczy tylko przegotowanie wody), nazywa się ją twardością przemijającą. Sam kamień kotłowy składający się tylko ze strąconych węglanów jest łatwy do usunięcia.

Twardość niewęglanową (nieprzemijająca) – spowodowana obecnością siarczanów(VI), chlorków, azotanów(V) i innych rozpuszczalnych sola głównie wapnia i magnezu, które pozostają w wodzie po jej przegotowaniu.

Jak zmniejszyć twardość wody?

Metoda chemiczna, termiczna i wymiany jonowej:

Za pomocą chemicznych preparatów można znacznie zmniejszyć twardość wody. Najczęściej występują one w tabletkach, kostkach lub proszkach, które zaleca się stosować w urządzeniach elektrycznych, które mają często styczność z twardą wodą. Te chemiczne substancje usuwają z wody związki wapnia i magnezu, odpowiedzialne za jej twardość. Środki chemiczne najczęściej używane są do ochrony pralek i zmywarek przed korozyjnym działaniem kamienia, wytracającego się z twardej wody. Podgrzanie wody również wpływa ujemnie na jej stopień twardości. Jest to jednocześnie najprostsza, najmniej inwazyjna oraz szybka metoda zmniejszania twardości wody. Wystarczy bowiem podgrzać twardą wodę powyżej 37 stopni Celsjusza a spowoduje to rozpad termiczny węglanów wapnia i magnezu czyli zmiękczenie wody. Można również zmniejszyć twardość wody za pomocą tak zwanych wymieniaczy jonowych, które całkowicie lub częściowo odsalają i odwapniają zbyt twardą wodę. Urządzenia te działają na zasadzie prostej wymiany jonów (które powodują twardość wody) na inne jony.

Urządzenia eliminujące twardość wody:

Prostym sposobem, by skutecznie zmniejszyć twardość wody jest użycie specjalnie do tego przeznaczonych urządzeń, jakimi są hydrauliczne zmiękczacze wody. Owe urządzenia eliminują twardość wody, a ponadto oczyszczają ją również z amoniaku czy żelaza. Zmiękczacze instaluje się najczęściej u wlotu wody do budynku, działają one automatycznie. Można również nabyć zmiękczacz do wody, który instaluje się jedynie na przykład kuchni. Żywotność takiego zmiękczacza do wody wynosi od 10 do 15 lat, a następnie należy urządzenie wymienić na nowe. Hydrauliczne urządzenia do zmniejszania twardości wody działają bardzo efektywnie. Zmniejszają znacznie ilość wytracającego się kamienia, który niszczy skórę, szkodzi zdrowiu oraz powoduje korozję urządzeń elektrycznych i większe zużycie detergentów w nich stosowanych. Ponadto, do ochrony przez korozyjnym działaniem twardej wody na takie urządzenia jak pralka czy zmywarka, służą specjalne filtry zmiękczające wodę. Można je w łatwy sposób samodzielnie i szybko zamontować w urządzeniu, które ma ochraniać przed kamieniem. Bardzo wygodne w formie są małe, kompaktowe zmiękczacze do wody, które równie skutecznie zmniejszają twardość wody. Można te urządzenia podłączyć do całej instalacji wodnej w domu lub wybranych urządzeń. Eliminują one twardość wody poprzez usuwanie jonów, odpowiedzialnych za twardość wody czyli magnez i wapń. Poza tym w niewielkim stopniu przyrządy również eliminują z wody mangan, żelazo oraz usuwają z czasem jej mętność.

EDTA (ang. ethylenediaminetetraacetate, kwas etylenodiaminotetraoctowy, kwas wersenowy, komplekson II) – organiczny związek chemiczny kwas polikarboksylowy i jednocześnie aminokwas. Z mocnymi zasadami tworzy sole werseniany. Jest szeroko stosowanym czynnikiem kompleksującym wiele kationów metali, takich jak Ca²⁺, Mg²⁺ czy Fe³⁺. Zazwyczaj stosowany w postaci soli disodowej (wersenian disodowy) ze względu na jej większą rozpuszczalność w wodzie (tzw. komplekson III).

Jego skrót pochodzi od nazwy angielskiej: EthyleneDiamineTetraacetic Acid.

Ważnym zastosowaniem EDTA jest maskowanie jonów metal, które jest możliwe na skutek tworzenia kompleksów chelatowych z jonami metali. Własności chelatujące EDTA są na tyle silne, że tworzy ona kompleksy nawet z berylowcami.

Kontrakcja objętości 

zjawisko fizyczne polegające na zmianie objętości roztworu lub mieszaniny na skutek reakcji chemicznej lub oddziaływań międzycząsteczkowych pomiędzy składnikami mieszaniny.

Wykonywane czynności

Zadanie 1.

Emulsje

Do zlewki wlałyśmy 10 ml parafiny oraz 10 ml wody. Wymieszałyśmy mieszaninę łyżeczką. Następnie powtórzyłyśmy doświadczenie używając zamiast zwykłej parafiny, parafinę z dodatkiem emulgatora (Oillan).

Obserwacje:

1. I zlewka

Po wlaniu parafiny do wody parafina unosiła się na powierzchni wody, tworząc menisk wklęsły. Po wymieszaniu utworzyły się pęcherzyki powietrza, parafina uniosła się do góry. Substancje nie mieszają się.

II zlewka

Po dodaniu do wody parafiny z dodatkiem emulgatora, na początku substancja unosiła się na powierzchni wody, po zmieszaniu utworzyła się jednorodny roztwór o mleczno białej barwie.

2)

Przygotowałyśmy z słoiki z zakrętką. Do każdego wlałyśmy 10 ml octu. Następnie dodałyśmy 10 ml oleju i kilka kropel barwnika. Całość wymieszałyśmy. Później do pierwszego słoika dodałyśmy pół łyżeczki białka kurzego, do drugiego pół łyżeczki żółtka, a do trzeciej kilka kropli płynu do mycia naczyń (Ludwik). Zawartości wszystkich naczyń wymieszałyśmy.

Obserwacje:

Po dodaniu barwnika mieszanina octu i oleju zmieniła barwę na żółtą. Olej unosił się na powierzchni octu. Po wymieszaniu utworzyły się pęcherzyki powietrza.

I słoiczek

dodanie białka jaja kurzego

po wymieszaniu utworzyły się pęcherzyki powietrza, roztwór zaczął żelować, widoczne było oddzielenie: na dnie pozostała „czysta” część, wyżej unosiła się napełniona pęcherzykami powietrza.

II słoiczek

dodanie żółtka jaja kurzego

po wymieszaniu utworzyła się prawie jednorodna pomarańczowa mieszanina

III słoiczek

dodanie płynu do mycia naczyń

roztwór zmienił barwę na zieloną, po wymieszaniu utworzyła się piana, chwilę potem mieszanina się rozdzieliła: na dnie osadziła się ciemnozielona część, wyżej była jasnozielona.

Emulgatory:

1)Olilan skład 1g emulsji:

Parafina lekka 634 mg, substancje pomocnicze: acetylowane alkohole lanoliny, palmitynian izopropylu, dilaurynian glikolu etylowego 400 ( PEG 400 DL), Arlatone T, aromat "Floral spice".

2)Białko (albumina), żółtko jajka (lecytyna, albumina i witelina), płyn do mycia naczyń (PEG 20-Glyceryl Laureat)

Nazwy handlowe emulgatorów używanych do produkcji farb:

Borwinyl, Winacet, Osakryl

Poli(octan winylu) Winacet - to zarejestrowana nazwa handlowa grupy produktów wytwarzanych w Firmie Chemicznej Dwory S.A. na bazie poli(octanu winylu). Winacet jest dyspersją wodną poli(octanu winylu) otrzymywaną na drodze polimeryzacji emulsyjnej przy użyciu poli(alkoholu winylowego) jako koloidu ochronnego z dodatkiem różnych ilości zmiękczacza (plastyfikatora) ftalanu dwubutylu (w niektórych typach Winacetów).

Współczynnik podziału:

Prawo podziału sformułowane przez Waltera H. Nensta opisuje układ trójskładnikowy, z czego dwa składniki to rozpuszczalniki o ograniczonej rozpuszczalności wzajemnej (nie mieszające się ze sobą), a trzecia to substancja stała, ciekła lub gazowa dobrze rozpuszczająca się w obydwóch poprzednich. W warunkach równowagi termodynamicznej, w stałej temperaturze i przy stałym ciśnieniu, stosunek aktywności (stężeń) rozpuszczonej substancji w obydwóch rozpuszczalnikach jest wielkością stałą zwaną współczynnikiem podziału.

Zależność powyższą można wyprowadzić z warunku równowagi termodynamicznej, to jest z równości potencjałów chemicznych substancji rozpuszczonej C w obydwóch fazach ciekłych.

Współczynnik podziału KN jest wartością stałą w danej temperaturze pod warunkiem, gdy stan cząsteczkowy substancji rozpuszczonej jest w obydwóch fazach jednakowy.

Zadanie 2.

Twardość wody

Najpierw wlałyśmy do zlewki 200 ml wody wodociągowej ( odkręcając uprzednio kran na minutę). Do kolby stożkowej pobrałyśmy pipetą 50 ml analizowanego roztworu. Następnie rozcieńczyłyśmy roztwór w kolbie przy pomocy wody destylowanej do objętości 150 ml. Potem dodałyśmy 15 ml roztworu trój etanoloaminy (1:1). Kolbę przeniosłyśmy pod dygestorium i wlałyśmy 12 ml stężonego roztworu amoniaku (ze względu na silny zapach). Dodałyśmy za pomocą łyżeczki szczyptę wskaźnika mieszanego. Następnie miareczkowałyśmy przy pomocy roztworu EDTA, aż roztwór zmienił zabarwienie.

Obserwacje:

Roztwór wymieszał się na jednorodną mieszaninę, po dodaniu wskaźnika zmienił barwę na bordową. Podczas miareczkowania roztwór stopniowo zmieniał barwę na żółtą. Dodałyśmy ok. 10 ml EDTA.

Obliczenia:

x = (C_EDTA·V_EDTA·M_CaO·1000)/ (V_H2O·10)

C_EDTA=0,01mol/dm³

V_EDTA=10ml=0,01 dm³

M_CaO=56.08 g/mol

V_H2O=150ml=0,15 dm³

X=3,7387g/ dm³

Zadanie 3.

Kontrakcja objętości

Przygotowałyśmy biuretę o pojemności 50 ml. Około 30 ml alkoholu etylowego (96%) przelałyśmy do zlewki i zabarwiłyśmy kilkoma kroplami błękitu metylenowego. Do drugiej zlewki nalałyśmy zimnej wody, którą następnie nalałyśmy do biurety. Jej objętość wynosiła 25 ml. Następnie do biurety wlałyśmy przy pomocy lejka zabarwiony alkohol. Zdjęłyśmy biuretę z statywu, zasłoniłyśmy wylew ręką i powoli wymieszałyśmy zawartość biurety.

Obserwacje:

Po wlaniu zabarwionego alkoholu widać wyraźne oddzielenie substancji. Po kilkakrotnym obracaniu biurety roztwory zmieszały się. Objętość mieszaniny zmniejszyła się o ok. 1,3 ml.

Przykładem mieszaniny, która ma mniejszą objętość niż użyte do jej sporządzenia składniki jest mieszanina wody i etanolu (alkoholu etylowego). Za kontrakcję objętości odpowiedzialne są w tym przypadku wiązania wodorowe powstające pomiędzy atomami wodoru grupy hydroksylowej etanolu, a wolnymi parami elektronowymi na atomie tlenu w cząsteczce wody.