sprawozdanie 1 chemia fizyczna izotermy�dsorpcji

Data wykonania ćwiczenia:	Nazwisko Imię:	Grupa:	OCENA:
Data oddania sprawozdania:
Nr ćwiczenia: 10	Tytuł ćwiczenia: Wyznaczanie izoterm adsorpcji substancji powierzchniowo czynnych na podstawie pomiarów napięcia powierzchniowego.	Nr grupy:	Nazwisko prowadzącego:

Data oddania sprawozdania:

Nr ćwiczenia:

10

Tytuł ćwiczenia:

Wyznaczanie izoterm adsorpcji substancji powierzchniowo czynnych na podstawie pomiarów napięcia powierzchniowego.

Nr grupy:

Nazwisko prowadzącego:

Wstęp teoretyczny

Napięcie powierzchniowe określa się jako pracę potrzebną do zwiększenia powierzchni
o jednostkę lub siłę styczną do powierzchni przypadającą na jednostkę długości. Jego jednostką jest J/m² lub N/m.

Napięcie powierzchniowe czystych cieczy zależy od temperatury i rodzaju cieczy , a w przypadku roztworów dodatkowo jest zależna od rodzaju substancji rozpuszczonej i jej stężenia.

Substancje powierzchniowo czynne to substancje mające zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego rozpuszczalnika. Cząsteczki tych substancji rozpuszczone w wodzie ulegają adsorpcji na powierzchni roztworu. Związek między wielkością obniżenia napięcia powierzchniowego a wielkością adsorpcji podaje równanie Gibbsa:

$\Gamma = \ - \frac{c}{\text{RT}} \bullet \frac{\text{dσ}}{\text{dc}}$

gdzie: σ - napięcie powierzchniowe, c – stężenie roztworu, Г – nadwyżka powierzchniowa (nadmiar powierzchniowy)

Równanie Szyszkowskiego opisuje napięcie powierzchniowe wodnych roztworów niejonowych substancji powierzchniowo czynnych

$\frac{\sigma_{0} - \sigma}{\sigma_{0}} = \text{Bln}\left( \frac{c}{A} + 1 \right)$,

gdzie: σ₀ – napiecie powierzchniowe czystej wody, B – stała charakterystyczna dla danego szeregu homologicznego, A; stała zmieniająca się w obrębie szeregu homologicznego w taki sposób że stosunek wartości A dla dwóch kolejnych członów szeregu, zawierających n oraz n+1 atomów węgla, jest wielkością stałą równą 3,2. Zależność ta jest konsekwencją reguły Traubego, która mówi, że każda nowa grupa CH₂ wprowadzona do łańcucha węglowodorowego zwiększa o ok. 3,2 razy zdolność substancji do obniżania napięcia powierzchniowego.

Izoterma adsorpcji Langmuira to krzywa pod wykresem zależności nadwyżki powierzchniowej od stężenia danego roztworu. Równanie tej krzywej można zapisać w postaci liniowej, która umożliwia sprawdzenie, czy wyniki doświadczalne zgadzają się z tą izotermą.

Istnieje wiele metod pomiaru napięcia powierzchniowego. Jedną z nich jest metoda tensometryczna. Polega ona na wyznaczeniu siły potrzebnej do oderwania cienkiego platynowego pierścienia od powierzchni badanej cieczy. Napięcie powierzchniowe oblicza się ze wzoru: σ = f · W;
gdzie W jest maksymalną wartością odczytaną na skali przyrządu podczas powolnego podnoszenia pierścienia.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było wyznaczenie izoterm adsorpcji alkoholu propylowego, alkoholu
n-butylowego, alkoholu n-amylowego na podstawie pomiarów tensometrycznych napięcia powierzchniowego roztworów tych alkoholi.

Wykonanie ćwiczenia

Z wyjściowych roztworów alkoholi propylowego o stężeniu 0,5 mol/dm³, n-butylowego
o stężeniu 0,25 mol/dm³ oraz alkoholu n-amylowego o stężeniu 0,125 mol/dm³ należy przygotować serię 5 rozcieńczeń, poprzez dwukrotne rozcieńczanie kolejnych roztworów. Następnie dla każdego przygotowanego roztworu, wykonać pomiar tensometryczny. W tym celu należy umieścić szkiełko
z badaną cieczą na stoliku. Powoli podnosić stolik do góry tak aby pierścień zanurzył się na głębokość 2-3 mm poniżej powierzchni cieczy, a następnie bardzo powoli opuszczać go w dół, obserwując wskazania przyrządu. Zanotować maksymalną wyświetloną wartość W. Pomiar powtórzyć 3-krotnie. Wykonać pomiar tensometryczny dla wody destylowanej.

Wyniki:

Woda destylowana H₂O
Temperatura: 21^oC
Stężenie [mol/dm3]


Alkohol propylowy C₃H₈O
Temperatura: 21^oC
Stężenie [mol/dm3]

0,5
0,25
0,125
0,0625
0,03125
0,015625
Alkohol n-butylowy C₄H₁₀O
Temperatura: 21^oC
Stężenie [mol/dm3]

0,25
0,125
0,0625
0,03125
0,015625
0,0078125
Alkohol n-amylowy C₅H₁₂O
Temperatura: 21^oC
Stężenie [mol/dm3]

0,125
0,0625
0,03125
0,015625
0,0078125
0,0039062

Opracowanie wyników:

Obliczenie napięcia powierzchniowego badanych roztworów

Dla wody destylowanej należy obliczyć wartość współczynnika f korzystając z tablicowej wartości napięcia powierzchniowego σ oraz wartości W odczytanej w trakcie pomiaru tensometrycznego (wartość W uśredniona):

σ = 72,59 [mN/m]

W = 76,27

f =$\frac{\sigma}{W}$ = 0,9518

Dla pozostałych roztworów alkoholi, napięcie powierzchniowe należy obliczyć ze wzoru σ = f · W,

za f podstawiając wartość uzyskaną na podstawie obliczeń dokonanych dla wody destylowanej .

Woda destylowana H₂O
Temperatura: 21^oC
Stężenie [mol/dm3]


Alkohol propylowy C₃H₈O
Temperatura: 21^oC
Stężenie [mol/dm3]

0,5
0,25
0,125
0,0625
0,03125
0,015625
Alkohol n-butylowy C₄H₁₀O
Temperatura: 21^oC
Stężenie [mol/dm3]

0,25
0,125
0,0625
0,03125
0,015625
0,0078125
Alkohol n-amylowy C₅H₁₂O
Temperatura: 21^oC
Stężenie [mol/dm3]

0,125
0,0625
0,03125
0,015625
0,0078125
0,0039062

Krzywe zależności napięcia powierzchniowego od stężenia dla badanych roztworów
Wyznaczenie metoda graficzną nadwyżki powierzchniowej dla pięciu dowolnie wybranych stężeń badanych roztworów alkoholi.

Dla wykresów zależności σ(c) każdego z badanych roztworów alkoholi należy wyznaczyć linię trendu
i jej wzór. Na podstawie wzoru należy obliczyć $\frac{\text{dσ}}{\text{dc}}$ a następnie otrzymaną wartość podstawić do wzoru $\Gamma = \ - \frac{c}{\text{RT}} \bullet \frac{\text{dσ}}{\text{dc}}$

Dla alkoholu propylowego: y = 49,082x2 - 63,628x + 72,424

Stężenie [mol/dm3]	$$\frac{\text{dσ}}{\text{dc}}$$	Г	$$\frac{c}{G}$$
0,25	-39,09	0,0040	62,5
0,125	-51,36	0,0026	48,076923
0,0625	-57,49	0,0015	41,666667
0,03125	-60,56	0,0008	39,0625
0,015625	-62,09	0,0004	39,0625

Dla alkoholu n-butylowego: y = 308,4x2 - 176,23x + 72,701

Stężenie [mol/dm3]	$$\frac{\text{dσ}}{\text{dc}}$$	Г	$$\frac{c}{G}$$
0,125	-99,13	0,0050	25,00
0,0625	-137,68	0,0035	17,86
0,03125	-156,955	0,0020	15,63
0,015625	-166,5925	0,0010	15,63
0,0078125	-171,41125	0,0006	13,02

Dla alkoholu n-amylowego: y = 2209,4x2 - 546,61x + 73,756

Stężenie [mol/dm3]	$$\frac{\text{dσ}}{\text{dc}}$$	Г	$$\frac{c}{G}$$
0,0625	-270,435	0,0069	9,06
0,03125	-408,5225	0,0052	6,01
0,015625	-477,56625	0,0031	5,046
0,0078125	-512,088125	0,0016	4,882
0,0039062	-529,3492834	0,0008	4,883

Wykresy zależności ilorazu stężenia i nadwyżki powierzchniowej od stężenia $\frac{c}{G} = f$

Z równania izotermy Langmuira wyznaczamy Γ_∞ , A dla każdego roztworu alkoholu:

$$a = \frac{1}{\Gamma_{\infty}}\ \ \ \ \ \ = > \ \ \ \ \ \Gamma_{\infty} = \frac{1}{a}$$

$$b = \frac{A}{\Gamma_{\infty}}\ \ \ \ \ \ = > \ \ \ \ \ A = b \bullet \Gamma_{\infty}$$

Alkohol propylowy	Alkohol n-butylowy	Alkohol n-amylowy
Γ_∞	A_p	Γ_∞
0,0097	0,3491	0,0106

Sprawdzenie zgodności z regułą Traubego

$\frac{A_{\text{propylowy}}}{A_{\text{butylowy}}} = \frac{0,3491}{0,1367} = 2,55$

$\frac{A_{\text{butylowy}}}{A_{\text{amylowy}}} = \frac{0,1367}{0,0573} = 2,39$

Sąsiadujące ze sobą wyrazy szeregu homologicznego nie spełniają reguły Traugbego.

Podsumowanie

Wielkość napięcia powierzchniowego rośnie wraz z rozcieńczeniem danej substancji. Równanie Langmuira najlepiej spełnia alkohol propylowy