Grupa 1, zespół 4
Kasprzewska Natalia
Kapturski Łukasz
ĆWICZENIE NR 4
POMIAR WSPÓŁCZYNNIKA NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO METODĄ STALAGMOMETRYCZNĄ.
Zjawiska powierzchniowe w cieczach są konsekwencją wzajemnego oddziaływania na siebie cząsteczek cieczy (siły spójności) oraz ich oddziaływania z cząsteczkami ciała będącego w bezpośrednim kontakcie z cieczą (siły przylegania).W przypadku cząsteczek, które tworzą powierzchnię cieczy, siły spójności mają inny rozkład niż siły działające na cząsteczki znajdujące się w jej głębi. Powoduje to powstawanie charakterystycznych dla powierzchni cieczy zjawisk, do których zaliczyć należy: napięcie powierzchniowe, tworzenie się menisków oraz włoskowatość.
Napięcie powierzchniowe jest zjawiskiem występującym na granicy faz. Jest ono spowodowane inną sytuacją energetyczną cząsteczek wewnątrz fazy i w warstwie powierzchniowej. Siła wypadkowa działająca na cząsteczki położone na powierzchni jest skierowana w głąb cieczy i działa prostopadle do jej powierzchni - usiłuje zmniejszyć swobodną powierzchnię cieczy. Ciecz dąży zatem do zmniejszenia liczby cząsteczek na swojej powierzchni, a więc do osiągnięcia możliwie najmniejszej swobodnej powierzchni. Z tego powodu krople mają postać kulistą, gdyż powierzchnia kuli jest najmniejszą powierzchnią, jaką może objąć masę kropli. Utworzenie lub powiększenie powierzchni międzyfazowej wiąże się z nakładem pracy niezbędnej do pokonania przeciwnie działających sił powierzchniowych. Praca jaką należy wykonać przeciwko siłom międzycząsteczkowym, aby cząsteczki tworzące powierzchnię o polu jednostkowym przenieść na tę powierzchnię z wnętrza ciała określa się napięciem powierzchniowym. Miarą napięcia powierzchniowego (σ) cieczy jest stosunek wartości tej pracy (W) do przyrostu powierzchni cieczy (S):
Wyrażając pracę w dżulach (J), a zmianę powierzchni w m2 otrzymujemy jako jednostkę napięcia powierzchniowego:
Napięcie powierzchniowe możemy zatem zdefiniować jako pracę potrzebną do zmiany powierzchni cieczy o m2. Zależy ono od rodzaju cieczy, od sąsiadujących ze sobą faz, od temperatury. Przykładowo σ wody względem powietrza wynosi 7,28∙10-2 N/m, a na granicy woda:benzen 3,50∙10-2 N/m. Napięcie powierzchniowe wody mogą obniżać niektóre substancje, jak np.: środki myjące, niektóre kwasy sulfonowe i ich sole, rozpuszczalniki organiczne, substancje humusowe. Substancje obniżające napięcie powierzchniowe noszą nazwę powierzchniowo czynnych, a zwiększające napięcie powierzchniowe określa się mianem substancji powierzchniowo nieczynnych.
Najwyższa wartość napięcia powierzchniowego wykazuje rtęć ok. 42.8 mN∙m-1. Napięcie powierzchniowe wody można zmienić, zmieniając temperaturę wody lub dodając do wody różne związki chemiczne zwane detergentami.
Napięcie powierzchniowe czystych cieczy maleje ze wzrostem temperatury i po osiągnięciu temperatury krytycznej, (w której znika różnica faz między cieczą a ciałem stałym) wartość napięcia powierzchniowego staje się równa zeru. Rozpuszczenie danej substancji w cieczy powoduje zmianę jej napięcia powierzchniowego. Współczynnik
napięcia powierzchniowego maleje liniowo ze wzrostem temperatury. Zależność napięcia powierzchniowego od stężenia substancji rozpuszczonych posiada charakter złożony, zależny od rodzaju układu.Wpływ substancji rozpuszczonej na napięcie powierzchniowe zależy od tego, czy stężenie tej substancji w warstwie powierzchniowej jest większe, czy też mniejsze, niż w głębi roztworu. To z kolei zależy od oddziaływania cząsteczek wody z cząsteczkami substancji rozpuszczonej. W przypadku mocnych elektrolitów (całkowicie zdysocjowanych) istnieje bardzo silne powinowactwo jonów do polarnych cząsteczek wody. Jony są silnie hydrofilowe (przyciągane przez cząsteczki wody) i są wciągane w głąb roztworu, stąd napięcie powierzchniowe roztworów elektrolitów mocnych jest wyższe niż wody. Inaczej jest w przypadku związków organicznych. Węglowodory i inne związki organiczne zawierające grupy alkilowe, są hydrofobowe (odpychane przez cząsteczki wody). Związki te gromadzą się na powierzchni i obniżają napięcie powierzchniowe roztworu. Szczególnie aktywne powierzchniowo są związki zbudowane z długich łańcuchów węglowodorowych, zawierających na końcu grupy hydrofilowe – przyciągające cząsteczki wody (np. hydroksylowe, karboksylowe, aminowe lub grupy jonogenne – dysocjujące na jony). Związki takie chętnie gromadzą się na powierzchni. Do wnętrza wody wciągane są grupy hydrofilowe z jednoczesnym silnym wypychaniem na zewnątrz łańcuchów węglowodorowych. Budowę taką mają powszechnie stosowane mydła, które są solami sodowymi lub potasowymi wyższych kwasów tłuszczowych oraz obecnie stosowane detergenty, związki powierzchniowo czynne obniżające napięcie powierzchniowe.
Adsorpcja to proces zachodzący na powierzchni ciał skondensowanych. Innymi słowy, nagromadzenie się cząsteczek na powierzchni fazy skondensowanej (cieczy, ciała stałego) nazywamy adsorpcją. Substancję, która ulega adsorpcji nazywana jest adsorbatem, a substancja na której ten proces zachodzi – adsorbentem lub podłożem. Adsorbenty są to najczęściej ciała stałe o bardzo dobrze rozwiniętej powierzchni. W 1978 roku Gibbs wyprowadził matematyczne równanie adsorpcji cząsteczek substancji rozpuszczonej (związków organicznych, alkoholi, kwasów tłuszczowych) na powierzchni cieczy. W opisie tym posługuje się pojęciem nadmiaru powierzchniowego, oznaczonym symbolem, , który wyraża różnicę między liczbą moli substancji nagromadzonej w fazie powierzchniowej o jednostkowej powierzchni, a ilością tejże substancji zawartej w równoważnej ilości fazy objętościowej. Równanie to zazwyczaj przedstawiane jest w postaci:
Nadmiar powierzchniowy może być dodatni ( zwiększenie gęstości adsorbatu przy powierzchni adsorbentu) i ujemny (zmniejszenie gęstości adsorbatu w porównaniu z fazą objętościową, wypieranie adsorbatu). Równanie adsorpcji Gibbsa wiąże adsorpcję cząstek substancji rozpuszczonej na powierzchni rozpuszczalnika ze zmianą napięcia powierzchniowego. Gdy cząsteczki substancji rozpuszczonej gromadzą się na powierzchni swobodnej roztworu, powodują obniżenie napięcie powierzchniowe rozpuszczalnika, tj, gdy
natomiast cząsteczki substancji podwyższających napięcie powierzchniowe „uciekają” z powierzchni do wnętrza cieczy.
Na granicy cieczy oraz gazu i ciała stałego obserwuje się zakrzywienie powierzchni cieczy, zwane meniskiem. Menisk jest wynikiem rozkładu sił, które działają na cząsteczki cieczy znajdujące się w pobliżu granic trzech faz: cieczy, gazu i ciała stałego. Kąt jaki tworzy powierzchnia cieczy z powierzchnią ciała stałego, z którym ciecz się styka, nazywamy kątem brzegowym. Możliwe są dwie sytuacje: kąt brzegowy ostry (menisk wklęsły, ciecz zwilża powierzchnię) oraz kąt brzegowy rozwarty (menisk wypukły, ciecz nie zwilża powierzchni).
Konsekwencją istnienia napięcia powierzchniowego na granicy faz ciecz-gaz jest zjawisko włoskowatości, czyli wznoszenia się cieczy w kapilarach. Najstarszą metodą pomiaru napięcia powierzchniowego cieczy w oparciu o zjawisko włoskowatości jest metoda kapilarnego wzniesienia. Polega ona na zanurzeniu cienkiej rurki, zwykle szklanej, zwanej kapilarą, do badanej cieczy. W przypadku gdy, ciecz tworzy menisk wklęsły (tj. zwilża ścianki naczynia) poziom cieczy w kapilarze wzrasta. Gdy ciecz nie zwilża ścianek kapilary jej poziom ulega obniżeniu.Zjawisko włoskowatości umożliwia wyznaczenie współczynnika napięcia powierzchniowego danej cieczy.
Jest wiele sposobów wyznaczania napięcia powierzchniowego. Do najczęściej stosowanych należy: metoda rurek kapilarnych, , metoda pęcherzykowa, metoda tensjometryczna i metoda stalagmometryczna. W tej ostatniej do pomiarów używane są specjalne przyrządy zwane stalagmometrami. Metoda stalagmometryczna polega na wyznaczaniu masy kropli odrywającej się od specjalnie ukształtowanego końca grubościennej kapilary (stopki stalagmometru) lub, co na jedno wychodzi, wyznaczeniu liczby kropel, tworzących się przy wypływie z tej rurki określonej objętości cieczy o znanej gęstości. Przy uproszczonym opisie zjawiska można przyjąć, że kropla odrywa się od końca rurki kapilarnej, gdy jej ciężar stanie się równy co do wielkości iloczynowi napięcia powierzchniowego (działającego na obwodzie kapilary) i długości okręgu. Krople są tym większe (a więc tym mniej ich powstaje z określonej objętości V), im większe jest napięcie powierzchniowe. Zastosowanie metody porównawczej, czyli wykonanie pomiaru (na tym samym stalagmometrze) liczby wypływających kropel cieczy badanej i cieczy wzorcowej o znanym napięciu powierzchniowym np. wody, zmniejsza niedokładność pomiarów i prowadzi do wyznaczenia względnej wartości napięcia powierzchniowego:
Gęstość jest jedną z podstawowych właściwości fizycznych. Gęstością względną (ρw masą właściwą) nazywamy stosunek gęstości danej substancji do gęstości substancji przyjętej jako wzorzec. Dla ciał stałych podaje się zazwyczaj gęstość względną substancji w określonej temperaturze pod ciśnieniem 1013 hPa (1 atm).Gęstość względna jest liczbą niemianowaną, to znaczy nie posiadającą jednostki. Wzór do wyliczenia gęstości cieczy stosowany przez program wagi (według prawa Archimedesa) to:
Gęstością bezwzględna określa się stosunek masy do objętości danego ciała, ponieważ objętość ciała. Jest ona zmienna i zależy od temperatury i ciśnienia. Najczęstszą metodą oznaczania gęstości bezwzględnej jest metoda piknometryczna. Do uzyskania pomiaru służą: waga analityczna, piknometr, woda destylowana oraz badana ciecz. Pomiar polega na wyznaczeniu gęstości badanej cieczy względem wody destylowanej. Istotnym elementem pomiarowym jest określenie masy piknometru, piknometru napełnionego wodą destylowaną oraz badaną cieczą. Na podstawie uzyskanych wyników z ważenia należy wyliczyć gęstość ze wzoru:
gdzie:
m1 – masa piknometru pustego
m2 – masa piknometru z wodą destylowaną
m3 – masa piknometru z badaną cieczą
dw – gęstość wody w temperaturze pomiaru
WYNIKI:
Średnia ilość kropel dla wody destylowanej: 74
Średnia ilość kropel dla kwasu octowego: 81
Średnia ilość kropel dla wody z detergentem: 151
WNIOSEK:
Najwyższe napięcie powierzchniowe wykazuje woda destylowana. Wpływ na jego obniżenie ma kwas oraz woda z detergentem. Z badanych cieczy woda z detergentem najbardziej obniża napięcie powierzchniowe.
OBLICZENIA:
Wyznaczanie gęstości dla:
dla kwasu octowego
$dr = \frac{83,3832 - 33,4167}{83,3399 - 33,4177} \bullet 997,7700 = \frac{49,9665}{49,9222} \bullet 997,7700 = 1,0001 \bullet 997,7700 = \mathbf{997,87\ }$kg/m3
dla wody z detergentem
$dr = \frac{83,0491 - 33,4167}{83,3399 - 33,4177} \bullet 997,7700 = \frac{49,6324}{49,9222} \bullet 997,7700 = 0,9942 \bullet 997,7700 = \mathbf{991,98}$ kg/m3
Obliczanie wartości bezwzględnej współczynnika napięcia powierzchniowego dla:
dla kwasu octowego
δr = 0,072 ∙ $\frac{74 \bullet 997,8698}{81 \bullet 997,7700}$ = 0,0671 N/m
dla wody z detergentem
δr = 0,072 ∙ $\frac{74 \bullet 991,9830 \bullet}{151 \bullet 997,7700}$ = 0,0358 N/m
Obliczanie wartości względnej współczynnika napięcia powierzchniowego dla:
dla kwasu octowego:
δr = $\frac{74 \bullet 997,87}{81 \bullet 997,7700}$ = 0,9137
dla wody z detergentem:
δr =$\frac{74 \bullet 991,98}{151 \bullet 997,7700}$ = 0,9083
WNIOSEK:
Im mniejsze napięcie powierzchniowe cieczy tym większa ilość kropli wypływa z tej samej, oznaczonej objętości stalagmometru.
Detergenty dodane do roztworu zmniejszają napięcie powierzchniowe cieczy.
Wraz ze wzrostem ilości detergentu napięcie powierzchniowe maleje.
Wyniki w porównaniu do odczytu z tablic delikatnie różnią się między sobą, co oznacza, że wyznaczanie gęstości badanej cieczy jest obarczone błędem pomiaru.