CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

Aparatura i odczynniki:

1. Butelki o pojemności 100 cm³

2. Zlewki o pojemności 50 cm³

3. Stalagmometr

Opracowanie i dyskusja wyników

Liczba kropel wody nw	Liczba kropel cieczy I n1	Liczba kropel cieczy II n2	Liczba kropel cieczy III n3	Temperatura cieczy T [ºC]
76	171	144	196	25
77	170	145	195	25
75	172	143	197	25

Do ćwiczenia otrzymaliśmy wzory sumaryczne, masy molowe (M) oraz gęstości (d)
badanych cieczy, odpowiednio:

• ciecz I: C₄H₁₀O, M. = 74,12 g/mol, d = 0,8098 g/cm³,

• ciecz II C₇H₈O, M. = 108,14 g/mol, d = 1,0453 g/cm³,

• ciecz III C₄H₈O₂, M. = 88,10 g/mol, d = 0,9010 g/cm³.

Średnia liczba kropel wody wynosi: $\frac{76 + 77 + 75}{3} = 76$

Średnia liczba kropel cieczy I wynosi: $\frac{171 + 170 + 172}{3} = 171$

Średnia liczba kropel cieczy II wynosi:$\ \frac{144 + 145 + 143}{3} = 144$

Średnia liczba kropel cieczy III wynosi: $\frac{196 + 195 + 197}{3} = 196$

1. Obliczamy napięcie powierzchniowe cieczy z zależności:

$\sigma_{x} = \sigma_{w}\frac{n_{w}d_{x}}{n_{x}d_{w}}$

σ_x- napięcie powierzchniowe badanej cieczy [N/m]

σ_w- napięcie powierzchniowe wody [N/m]

d_x- gęstość badanej cieczy [g/cm³]

d_w- gęstość wody [g/cm^3]

n_x- liczba kropel badanej cieczy

n_w- liczba kropel wody

Napięcie powierzchniowe wody zależy od temperatury [ºC] zgodnie z zależnością:

$$\sigma_{w} = \left( 73,5 - 0,15\left( t - 15 \right) \right)*10^{\ - 3}\lbrack\frac{N}{m}\rbrack$$

Napięcie powierzchniowe wody w temperaturze 25ºC wynosi:

$$\sigma_{w} = \left( 73,5 - 0,15\left( 25 - 15 \right) \right)*10^{\ - 3} = 0,072\lbrack\frac{N}{m}\rbrack$$

Napięcie powierzchniowe cieczy I wynosi:

$$\sigma_{1} = 0,072\left\lbrack \frac{N}{m} \right\rbrack\frac{76*0,8098\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack}{171*1\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack} = 0,026\left\lbrack \frac{N}{m} \right\rbrack = 26*10^{- 3}\lbrack\frac{N}{m}\rbrack$$

Napięcie powierzchniowe cieczy II wynosi:

$$\sigma_{2} = 0,072\left\lbrack \frac{N}{m} \right\rbrack\frac{76*1,0453\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack}{144*1\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack} = 0,040\left\lbrack \frac{N}{m} \right\rbrack = 40*10^{- 3}\lbrack\frac{N}{m}\rbrack$$

Napięcie powierzchniowe cieczy III wynosi:

$$\sigma_{3} = 0,072\left\lbrack \frac{N}{m} \right\rbrack\frac{76*0,9010\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack}{196*1\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack} = 0,025\left\lbrack \frac{N}{m} \right\rbrack = 25*10^{- 3}\lbrack\frac{N}{m}\rbrack$$

2.Charakterystyka cieczy pod względem wartości ich napięcia powierzchniowego:

Wartość napięcia powierzchniowego jest największa w przypadku cieczy II, która ma największą gęstość. W przypadku cieczy I i III, których gęstość jest porównywalna, wartość napięcia powierzchniowego jest prawie taka sama, gdyż różni się tylko o 0,001 [N/m] . Z zależności tej wynika, że im większa gęstość cieczy, tym większe napięcie powierzchniowe.

3. Obliczamy parachorę według następującego wzoru:

$$P = \frac{M}{d_{x}}\sigma_{x}^{1/4}$$

gdzie P jest parachorą [($\frac{m^{3}}{\text{mol}})({N/m)}^{1/4}$], M - masą molową badanej substancji, d_x jej gęstością, σ_x – napięciem powierzchniowym.

Parachora cieczy I wynosi:

$$P_{1} = \frac{74,12\left\lbrack \frac{g}{\text{mol}} \right\rbrack}{0,8098*10^{6}\left\lbrack \frac{g}{m^{3}} \right\rbrack}({0,026\lbrack\frac{N}{m}\rbrack)}^{\frac{1}{4}} = 3,68*10^{- 5}\lbrack(\frac{m^{3}}{\text{mol}})(\frac{N}{m})^{\frac{1}{4}}\rbrack = = 3,68*10^{- 5}\lbrack(\frac{m^{3}}{\text{mol}})(\frac{\text{kg}}{s^{2}})^{\frac{1}{4}}\rbrack = = 3,68*10^{- 5}\left\lbrack \frac{\text{kg}^{\frac{1}{4}}m^{3}}{s^{\frac{1}{2}}}*10^{3}\text{kmol} \right\rbrack = = 3,68*10^{- 2}\left\lbrack \frac{\text{kg}^{\frac{1}{4}}m^{3}\text{kmol}}{s^{\frac{1}{2}}} \right\rbrack = 368*10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{kg}^{\frac{1}{4}}m^{3}\text{kmol}}{s^{\frac{1}{2}}} \right\rbrack\ $$

Parachora cieczy II wynosi:

$$P_{2} = \frac{108,14\left\lbrack \frac{g}{\text{mol}} \right\rbrack}{1,0453*10^{6}\left\lbrack \frac{g}{m^{3}} \right\rbrack}({0,040\lbrack\frac{N}{m}\rbrack)}^{\frac{1}{4}} = 4,63*10^{- 5}\lbrack(\frac{m^{3}}{\text{mol}})(\frac{N}{m})^{\frac{1}{4}}\rbrack = = 4,63*10^{- 5}\lbrack(\frac{m^{3}}{\text{mol}})(\frac{\text{kg}}{s^{2}})^{\frac{1}{4}}\rbrack = = 4,63*10^{- 5}\left\lbrack \frac{\text{kg}^{\frac{1}{4}}m^{3}}{s^{\frac{1}{2}}}*10^{3}\text{kmol} \right\rbrack = = 4,63*10^{- 2}\left\lbrack \frac{\text{kg}^{\frac{1}{4}}m^{3}\text{kmol}}{s^{\frac{1}{2}}} \right\rbrack = 463*10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{kg}^{\frac{1}{4}}m^{3}\text{kmol}}{s^{\frac{1}{2}}} \right\rbrack$$

Parachora cieczy III wynosi:

$$P_{3} = \frac{88,10\left\lbrack \frac{g}{\text{mol}} \right\rbrack}{0,9010*10^{6}\left\lbrack \frac{g}{m^{3}} \right\rbrack}({0,025\lbrack\frac{N}{m}\rbrack)}^{\frac{1}{4}} = 3,89*10^{- 5}\lbrack(\frac{m^{3}}{\text{mol}})(\frac{N}{m})^{\frac{1}{4}}\rbrack = = 3,89*10^{- 5}\lbrack(\frac{m^{3}}{\text{mol}})(\frac{\text{kg}}{s^{2}})^{\frac{1}{4}}\rbrack = = 3,89*10^{- 5}\left\lbrack \frac{\text{kg}^{\frac{1}{4}}m^{3}}{s^{\frac{1}{2}}}*10^{3}\text{kmol} \right\rbrack = = 3,89*10^{- 2}\left\lbrack \frac{\text{kg}^{\frac{1}{4}}m^{3}\text{kmol}}{s^{\frac{1}{2}}} \right\rbrack = 389*10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{kg}^{\frac{1}{4}}m^{3}\text{kmol}}{s^{\frac{1}{2}}} \right\rbrack$$

4. Parachora jest wielkością addytywną, której wartość zależy od liczby i rodzaju atomów, składających się na cząsteczkę, a więc od składu chemicznego związku. Obliczona parachora cieczy II jest największa, gdyż ciecz ta ma największą masę molową. Parachory cieczy I i III mają zbliżone masy molowe, dlatego ich wartości są porównywalne oraz mniejsze od wartości parachory cieczy I. Z powyższego wzoru wynika, że im większa masa molowa, tym większa będzie wartość parachory.

5. Na podstawie wzorów sumarycznych możemy zaproponować następujące wzory strukturalne:

dla cieczy I:

CH3-CH2-CH(OH)-CH3 CH3CH2CH2CH2OH CH₃OCH₂CH₂CH₃

butan-2-ol butan-1-ol eter metylowo-propylowy

CH3CH(CH3)CH2OH CH3C(CH3)2OH CH₃CH₂OCH₂CH₃

alkohol izobutylowy alkohol tert-butylowy eter dietylowy

CH₃OCH(CH₃)₂

eter metylowo-izopropylowy

dla cieczy II:

alkohol benzylowy o-krezol m-krezol p-krezol

Dla cieczy III:

CH3(CH2)2COOH (CH3)2CHCOOH CH3COOCH2CH3 CH3CH2COOCH3

kwas masłowy kwas izomasłowy octan etylu propionian metylu

Przykładowe obliczenie parachory dla butan-1-olu:

P = 4P_C + 9P_H + P_{H w OH} + P_O= 4*8,5 + 9*30,4 + 20,1 + 35,6 =

=363, 3 * 10⁻⁴ [kg^1/4m³kmol/s^1/2]

Przykładowe obliczenie parachory dla eteru dietylowego:

P = 4P_C + 10P_H + P_o = 4*8,5 + 10*30,4 + 35,6 = =373,6* 10⁻⁴ [kg^1/4m³kmol/s^1/2]

Przykładowe obliczenie parachory dla alkoholu benzylowego:

P = 7P_C + 7P_H + P_{H w OH} + P_O + 3P_WP + P_PN = 7*8,5 + 7*30,4 + 20,1 +

+35,6 + 3*41,3 + 10,8 = 462,7* 10⁻⁴ [kg^1/4m³kmol/s^1/2]

Przykładowe obliczenie parachory dla octanu etylu:

P = 4P_C + 8P_H + 2P_O + P_{O2 w estrach}= 4*8,5 + 8*30,4 + 2*35,6 + 106,7= = 455,1* 10⁻⁴ [kg^1/4m³kmol/s^1/2]

Wartości literaturowe gęstości (d) , napięcia powierzchniowego (σ) i parachory oraz obliczone wartości parachory (P) dla wariantów strukturalnych badanych cieczy:

Badana substancja	d[g/cm^3] w 20ºC	Pobl [10^-4kg^1/4m^3/s^1/2kmol]	Plit. [10^-4kg^1/4m^3/s^1/2kmol]	γlit. [10^-3N/m]
Ciecz I
butan-1-ol	0,8098	363,3	360,8	24,6
alkohol izobutylowy	0,7978	363,3	359,3	23,47
alkohol tert-butylowy	0,7887	363,3	-	19,56
butan-2-ol	0,8026	363,3	-	22,8
eter dietylowy	0,7136	373,6	-	-
eter metylowo-propylowy	0,7048	373,6	-	-
eter metylowo-izopropylowy	0,7158	373,6	-	-
Ciecz II
alkohol benzylowy	1,0453	462,7	-	29,96
o-krezol	1,1350	462,7	457,8	35,45
m-krezol	1,0302	462,7	457,1	37,4
p-krezol	1,0178	462,7	-	-
Ciecz III
kwas masłowy	0,9532	444,8	371,8	26,8
kwas izomasłowy	0,9682	444,8	369,5	25,2
octan etylu	0,9010	455,1	386,0	23,9
propionian metylu	0,9151	455,1	382,5	24,9

Wartości literaturowe zostały odpisane z Poradnika Fizykochemicznego. Wartości parachory dla wariantów strukturalnych badanych cieczy zostały policzone na podstawie parachor atomowych i parachor wiązań. Wartości zaznaczone kolorem żółtym są najbardziej zbliżone do wartości charakteryzujących badane substancje.

6. Na podstawie wykonanych pomiarów i obliczeń możemy zasugerować wzory strukturalne badanych cieczy:

Ciecz I: CH3CH2CH2CH2OH butan-1-ol

W przypadku pierwszej cieczy wartości parachory struktur różniły się nieznacznie, dlatego wzór strukturalny tej cieczy wyznaczono na podstawie gęstości i wartości napięcia powierzchniowego.

Ciecz II: alkohol benzylowy

W przypadku drugiej cieczy wartości parachory struktur różniły się nieznacznie, zaś napięcie powierzchniowe w żadnym wypadku nie było zgodne z obliczonym, dlatego wzór strukturalny tej cieczy wyznaczono na podstawie gęstości.

Ciecz III: CH3COOCH2CH3 octan etylu

W przypadku trzeciej cieczy wartości parachory różniły się znacznie, dlatego wzór strukturalny trzeciej cieczy wyznaczono na podstawie gęstości oraz napięcia powierzchniowego.

WNIOSKI

Ćwiczenie polegało na wyznaczeniu napięcia powierzchniowego nieznanej czystej cieczy metodą stalagmometryczną, obliczeniu wartości parachory cieczy oraz zasugerowaniu wzorów strukturalnych na podstawie znanej gęstości cieczy, masy molowej oraz wzoru sumarycznego.

W oparciu o tę metodę nie można wyznaczyć ze 100 % dokładnością wzorów strukturalnych badanych związków, co wiąże się z różnymi od literaturowych wartości parachory i napięć powierzchniowych.

Uzyskane wyniki są obarczone błędem który może wynikać z niedokładnego wyznaczenia liczby kropel, niedoskonałości aparatury pomiarowej i trudności określenia momentu oderwania się pierwszej i ostatniej kropli wypływającej ze stalagmometru.