Wydział Geoinżynierii Legnica, 4 marca 2013
Górnictwa i Geologii
Politechniki Wrocławskiej
CHEMIA
Sprawozdanie z ćwiczenia
pt. ,,Zjawiska międzyfazowe”
grupa: poniedziałek 13.15-15.00
rok: 2012/2013
1. WPROWADZENIE
Cząsteczki, które znajdują się na powierzchni cieczy są silniej przyciągane przez ciecz niż przez gaz, wskutek czego następuje zjawisko wciągania cząsteczek z powierzchni
w głąb cieczy. Mamy wtedy do czynienia ze zjawiskiem napięcia powierzchniowego. (Drzymała, 2013).
Wypływająca kropla wody odrywa się od kurka wodociągowego w momencie, gdy siła ciężkości tej kropli przewyższa siły napięcia powierzchniowego. W chwili spadania siła
ta równa się sile ciężkości kropli, z czego wynika wzór (Drzymała, 2013):
2πrγ=mg,
gdzie:
r- promień kurka
γ- napięcie powierzchniowe (mN/m)
m- masa kropli
g- przyspieszenie ziemskie (981 cm/s²)
Kąt zwilżania zawarty jest pomiędzy powierzchnią ciała stałego znajdującego się
w kontakcie z wodą a styczną do kropli, wychodzącą z punktu styku 3 faz. W zależności
od właściwości ciała kropla może się rozpłynąć lub pozostać w postaci kropli. Zależy
to od sił wynikających z oddziaływań polarnych, dyspersyjnych i specyficznych między
atomami, jonami i cząsteczkami w sąsiadujących fazach. Wyznacznikiem jest równanie Younga(Drzymała, 2013):
γsp=γsw+γwpcosΘ,
gdzie:
Θ- kąt zwilżania
γsp- energia międzyfazowa na granicy faz ciało stałe- powietrze,
γsw- energia międzyfazowa na grany faz ciało stałe- woda,
γwp- energia międzyfazowa na granicy faz woda- powietrze.
Wyróżnia się dwa rodzaje substancji: hydrofilne, których kąt zwilżania jest równy zero oraz hydrofobowe, gdzie kąt zwilżania jest większy od zera.
Flotacja jest procesem polegającym na łączeniu się pęcherzyka gazu z hydrofobowym ziarnem a powstały zespół ziarno- pęcherzyk gazu jest wynoszony w kierunku powierzchni cieczy. Zjawisko flotacji zależy od hydrofobowości (ziarno nie może być hydrofilne) oraz ciężaru (ziarno nie może być za lekkie ani za ciężkie)(Drzymała, 2013).
POMIAR NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO
2. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA
2.1 Metodyka
Zważone małe naczyńko wagowe bez wieczka podstawiono pod kurek i wychwycono
do niego 50 kropel wody. Naczyńko z wodą ponownie zważono. Suwmiarką zmierzono średnicę wewnętrzną wylotu kurka.
2
2.2. Obserwacje
Wychodząca z kurka kropla wody w pewnym momencie odrywała się od niego. Jej kształt wydłużał się, natomiast w chwili spadania przybierał kształt kulisty i lądował
w naczyńku.
2.3. Interpretacja
Wyniki pomiarów dla wody:
masa naczynia- Mn= 5,82g
liczba spadających kropel- n= 50
masa naczynia z wodą- Mw= 10,52g
średnica wewnętrzna wylotu kurka- 2r= 53mm
przyspieszenie ziemskie- g= 981 cm/s².
Obliczenia:
a) masa kropli wody:
$$m = \frac{\ 10,92g - 5,82g}{50} = \frac{4,70g}{50} = 0,094g$$
b) napięcie powierzchniowe wody:
$$\gamma = \ \frac{0,094g\ 981\ cm/s^{2}\ }{3,14\ 0,53\ cm} = \frac{92\ g\ cm/s^{2}}{1,66\ cm} = 55\ mN/m$$
2.4. Wnioski
Napięcie powierzchniowe wody wyniosło 55 mN/m. Według instrukcji do ćwiczeń wartość napięcia powierzchniowego wynosi 72mN/m. Różnica może być spowodowana niedokładnością pomiarów (różna wielkość kropel), zanieczyszczeniem wody.
3. LITERATURA CYTOWANA
Drzymała J. Zjawiska międzyfazowe, Instrukcja do ćwiczeń z chemii, strona internetowa: http://www.minproc.pwr.wroc.pl/zpkio/index.html
POMIAR KĄTA ZWILŻANIA
2. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA
2.1 Metodyka
Na czystą powierzchnię siarki, teflonu, szkła, gipsu, węgla, plastiku (gładkiego i chropowatego), blaszki miedzianej i blaszki ocynkowanej naniesiono za pomocą pipety małą kroplę wody. Następnie odwzorowano kształt kropli na papierze milimetrowym.
2.2. Obserwacje
Kropla przybiera różne kształty, w zależności od powierzchni na jakiej się znajduje.
3
2.3. Interpretacja
Z funkcji trygonometrycznej- tangens Θ wyznaczono kąty zwilżania badanych substancji:
$a)szkl\text{o\ tg}\Theta\frac{2,7}{2,4} = 0,9$ $f)\ plastik\ gladki\ tg\Theta\frac{3,2}{2,5} = 1,3$
Θ=43° Θ= 52°
$b)\ gips\ tg\Theta\frac{0,8}{1,5} = 0,5$ $g)\ plastki\ chropowaty\ tg\Theta\frac{2,1}{1,3} = 1,6$
Θ= 27° Θ= 58°
$c)\ siarka\ tg\Theta\frac{2,6}{1,5} = 1,7$ $\ h)\ blaszka\ miedziana\ tg\Theta\frac{2,0}{1,0} = 2,0$
Θ= 60° Θ= 63°
$d)\ teflon\ tg\Theta\frac{3,2}{0,4} = 8,0$ $\ i)\ blaszka\ ocynkowana\ tg\Theta\frac{2,3}{2,3} = 1,0$
Θ= 83° Θ= 45°
$e)\ wegiel\ tg\Theta\frac{3,1}{1,1} = 2,8$
Θ= 71°
Wykaz substancji według ich wzrastającej hydrofobowości:
1. gips Θ=27°
2. szkło Θ=43°
3. blaszka ocynkowana- Θ=45°
4 plastik gładki Θ=52°
5. plastik chropowaty- Θ=58°
6.siarka- Θ=60°
7. blaszka miedziana- Θ=63°
8. węgiel- Θ=71°
9. teflon- Θ=83°
2.4. Wnioski
Wszystkie substancje są hydrofobowe. Największy kąt zwilżania ma teflon (83°), czyli jest najsilniej hydrofobowy, natomiast najmniej hydrofobowy jest gips. Jego kąt zwilżania wynosi 27°. Jednak otrzymane wyniki nie są dostatecznie precyzyjne. Według instrukcji do ćwiczeń kąt zwilżania teflonu osiąga wielkość 110°-112°. Może to być spowodowane niedokładnością odwzorowanych na papierze milimetrowym kropel.
3. LITERATURA CYTOWANA
Drzymała J. Zjawiska międzyfazowe, Instrukcja do ćwiczeń z chemii, strona internetowa: http://www.minproc.pwr.wroc.pl/zpkio/index.html
FLOTOWALNOŚĆ SUBSTANCJI
2. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA
2.1 Metodyka
Do zlewki o objętości 250 cm³ wlano 120cm³ wody destylowanej i dodano 1g siarki. Substancję mieszano przez 5 minut a powstałą zawiesinę przeniesiono do flotownika Hallimonda podłączonego do pompki powietrza i ustawionego w pozycji poziomej. Następnie flotownik przewrócono do pozycji pionowej i włączono stoper. Po 3 minutach zakończono doświadczenie i flotację powtórzono z gipsem.
4
2.2 Obserwacje
Siarka uległa prawie całej flotacji w małym odstępie czasu, natomiast gips flotował wolniej.
2.3. Interpretacja
Wyniki dla siarki: Wyniki dla gipsu:
1- 6s 1-27s
2-11s 2-61s
3-36s 3-124s
4-61s 4-180s
Rys. 1 Wychód siarki w funkcji czasu
Rys. 2 Wychód gipsu w funkcji czasu
5
2.4. Wnioski
Obie substancje uległy flotacji. Gips flotował dzięki wyniesieniu mechanicznemu. Gips i siarka są substancjami hydrofobowymi, dlatego flotowały.
3. LITERATURA CYTOWANA
Drzymała J. Zjawiska międzyfazowe, Instrukcja do ćwiczeń z chemii, strona internetowa: http://www.minproc.pwr.wroc.pl/zpkio/index.html
6