Wrocław, 27.02.2012 r.
Politechnika Wrocławska
Studium Kształcenia Podstawowego
pt.: „Zjawiska Międzyfazowe”
Paweł Gibała
Grupa: środa godzina 11:15-13:00
Rok I studiów stacjonarnych
Zjawisko napięcia powierzchniowego to w fizykochemii napięcie międzyfazowe panujące na granicy ośrodka gazowego i cieczy. Ilościowo napięcie powierzchniowe jest równe pracy potrzebnej do powiększenia powierzchni o 1 cm2. W wyniku działania napięcia powierzchniowego wszędzie, gdzie powierzchnia jest zakrzywiona, ciśnienie po stronie wklęsłości jest większe niż po stronie wypukłości. Powoduje to podnoszenie się cieczy zwilżających ścianki w cienkich rurkach (kapilarne zjawiska) lub utrudnione zanurzanie w cieczy ciał niepodatnych na zwilżanie tą cieczą (znika ono w momencie całkowitego zanurzenia takiego ciała). Zjawisko to ma swoje źródło w siłach przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Występuje ono zawsze na granicy faz termodynamicznych, dlatego zwane jest też napięciem międzyfazowym. (Napięcie, 2012).
Doświadczenie polegało na wyliczeniu napięcia powierzchniowego wody. Czyste naczynko bez wieczka daliśmy pod kurek i schwytaliśmy do niego 50 kropel wody. Za pomocą wagi zmierzyliśmy masę naczynka z wodą. Znając masę samego naczynka obliczyliśmy masę jednej kropli. Następnie za pomocą suwmiarki zmierzyliśmy średnice kurka. Następnie obliczyliśmy napięcie powierzchniowe podstawiając dane do wzoru.
Masa naczynka: M=1,922 g
Masa naczynka z wodą: Mc=8,444 g
Liczba kropel w naczynku: n=50
Masa samej wody: 8,444 g - 1,922 g = 6,552 g
Masa jednej kropli: $m = \frac{6,552\ g}{50} = 0,13044\ g \approx 0,13\ g$
Średnica wylotu kurka: 2r = 5,9 mm =0,59 cm
Przyspieszenie ziemskie: $g = 981\frac{\text{cm}}{s^{2}}$
Napięcie powierzchniowe γ:
$\gamma = \frac{mg}{2\pi r}$ $\gamma = \frac{0,13044\ g \bullet 981\ \frac{m}{s^{2}}}{3,14 \bullet 0,59\ \text{cm}} \approx 69,0713\ \frac{\text{mN}}{m} = 69\ \frac{\text{mN}}{m}$
Napięcie powierzchniowe wody wyniosło 69$\ \frac{\text{mN}}{m}$ .
Z przeprowadzonego doświadczenia wynika, że współczynnik napięcia powierzchniowego dla wody wynosi 69 $\frac{\text{mN}}{m}$, wartość ta różni się od tej znalezionej w literaturze (72,8 $\ \frac{\text{mN}}{m}$). Różnica pomiędzy tymi wynikami może być spowodowana zanieczyszczeniem wody, nierównomierną wielkością kropel, temperaturą powietrza w laboratorium, wstrząsami podczas pobierania tych kropel a także różnicą wartości przyspieszenia ziemskiego w zależności od szerokości geograficznej i wysokości nad poziomem morza.
Kropla cieczy umieszczona na powierzchni ciała stałego może się rozpłynąć albo pozostać w postaci kropli, w zależności od właściwości tego ciała. Takie zachowanie cieczy spowodowane jest działaniem sił na wszystkich trzech granicach fazowych występujących w rozpatrywanym układzie (tj. woda/ciało stałe, woda/powietrze oraz ciało stałe/powietrze). Równanie opisujące zależność kąta jaki tworzy siedząca kropla na powierzchni ciała stałego od stanu energetycznego granic fazowych opisuje równanie Younga:
γsp = γsw + γwpcos α
gdzie:
γsp-energia międzyfazowa na granicy faz ciało stałe-powietrze
γsw energia międzyfazowa na granicy faz ciało stałe-woda
γwp energia międzyfazowa na granicy faz woda-powietrze
α-kąt zwilżania.
Kąt zwilżania zawarty jest między powierzchnią ciała stałego znajdującego się w kontakcie z wodą a styczną do kropli poprowadzoną od punktu styku trzech faz. Substancje możemy podzielić na hydrofilne(kąt zwilżania jest bliski zeru) oraz hydrofobowe (kąt zwilżania jest większy od zera) (Drzymała J, 2012).
W tym doświadczeniu, za pomocą pipety nanieśliśmy po jednej kropli wody na wypolerowaną powierzchnię kawałka siarki, teflonu, szkła i gipsu. Następnie dokładnie oglądając kształt kropli odwzorowaliśmy go na papierze milimetrowym i narysowaliśmy styczną do powierzchni każdej kropli w miejscu styku trzech faz. Za pomocą funkcji trygonometrycznych można było wyznaczyć kąt zwilżania poszczególnych substancji oraz ustalić ich hydrofobowość.
Bez żadnych dodatkowych przyrządów można zauważyć jak zmienia się kąt zwilżania poszczególnych substancji. Największy jest on na teflonie, na siarce trochę mniejszy, natomiast na gipsie i szkle woda nie przyjmuje postaci kropli i kąt zwilżania jest bardzo mały.
Wzrost hydrofobowości:
GIPS < SZKŁO <SIARKA < TEFLON.
Teflon $\text{arctg} = \frac{30}{6} = 79$
Siarka $\text{arctg} = \frac{27}{14} = 62$
Szkło $\text{arctg} = \frac{6}{20} = 16,69$
Gips $\text{arctg} = \frac{7}{30} = 13,13$
Z doświadczenia wynika, że z badanych substancji, najbardziej hydrofobowy jest teflon(kąt zwilżania 79°), a po nim siarka (62°). Badane próbki szkła i gipsu wykazują właściwości hydrofilowe ponieważ ich kąt zwilżania jest bliski 0°.
Otrzymane wyniki nie są idealnie zgodne z tymi znalezionymi w literaturze, jednak wzrost hydrofobowości substancji jaki otrzymaliśmy jest poprawny. Różnice te spowodowane są zanieczyszczeniami jakie znajdowały się na próbkach oraz brakiem specjalistycznych narzędzi do pomiarów kąta zwilżania, obserwacje były prowadzone „na oko”.
Flotacja jest jedną z metod stosowaną do rozdziału bardzo drobnych ziaren mineralnych. Proces flotacji przeprowadza się w zawiesinie wodnej drobno zmielonego surowca mineralnego i polega na selektywnym przyczepianiu się rozpraszanych w tej zawiesinie pęcherzyków powietrza do wybranych ziaren mineralnych. Powstający agregat pęcherzyk powietrza - ziarno jest lżejszy od wody i wypływa na powierzchnię zawiesiny skąd może być zebrany w postaci piany (Flotowalność, 2012).
Do zlewki o objętości 250 cm3 wlaliśmy około 120 cm3 wody i dodaliśmy 1 g substancji, której flotowalność badaliśmy. Najpierw badaliśmy flotowalność siarki, jej ziarna rozdrobniliśmy w młynku tak, aby ich rozmiar miał między 0,5 a 2 mm. Następnie rozdrobnione ziarna przesypaliśmy do zlewki z wodą i mieszając stworzyliśmy zawiesinę, którą przenieśliśmy do flotownika Hallimonda. Flotownik ustawiony był w pozycji poziomej. Po podłączeniu pompki powietrza, ustawiliśmy flotownik pionowo, włączyliśmy stoper i rozpoczął się proces flotacji.Proces flotacji prowadziliśmy przez 5 min. Najpierw dla siarki a później cały proces powtórzyliśmy dla próbki kwarcu. Za pomocą stopera mierzyliśmy czas w jakim nastąpiło wyflotowanie substancji na kolejnych stopniach podziałki (od 1 do 5) znajdującej się na zlewce do zbierania ziaren. Po skończeniu doświadczenia aparat przepłukano czystą wodą, ustawiono w pozycji pionowej i na końcu wyłączono przepływ powietrza.
Siarka uległa prawie całkowitej flotacji, w zlewce została tylko niewielka ilość ziaren których wielkość była za duża (były zbyt ciężkie żeby pęcherzyki powietrza uniosły je do góry). Łatwo zauważyć, że flotacja przebiega szybciej na samym początku doświadczenia, gdy w zlewce znajduje się dużo ziaren siarki.
Siarka- 1,5 g
1- 7 s
2- 11 s
3- 38 s
4- 95 s
5- 180 s
Podczas doświadczenia z minerałami kwarcu flotacja nie nastąpiła.
Siarka jest substancją hydrofobową ponieważ flotuje. Natomiast kwarc jest hydrofilowy- flotacja nie następuje. Na podstawie doświadczenia B i C można stwierdzić, że im większa hydrofobowość substancji, tym większa jej flotowalność.
Drzymała J., 2012, Instrukcja do ćwiczenia pt. „Zjawiska międzyfazowe”,
Strony internetowe:
Flotowalność, 2012http://dydaktyka.polsl.pl/rg5/slaczka/flot_VI_W2.html
Napięcie, 2012, http://portalwiedzy.onet.pl/9332,,,,napiecie_powierzchniowe,haslo.html