Jacek Olender, I rok KiR

ĆWICZENIE IV - SPRAWOZDANIE

Część teoretyczna

Ćwiczenie 4a

Gęstość – Jest to stosunek masy do objętości, lub inaczej – masa określonej objętości substancji. Wylicza się ją ze wzoru .

Gęstość jest odwrotnie proporcjonalna względem temperatury, czyli spada wraz z jej wzrostem. Jest to spowodowane termiczną rozszerzalnością ciał.

Pomiar gęstości wykonuje się zwykle w temperaturze 20 ˚C, czyli 293 K. Jeśli pomiar jest przeprowadzony w innej temperaturze, bądź podana wartość gęstości odnosi się do innej temperatury, należy to zaznaczyć odpowiednim indeksem (np. dla temperatury 15 ˚C – „d₁₅”).
W przypadku roztworów, gęstość roztworu jest większa od gęstości rozpuszczalnika.

Istnieją różne metody wyznaczania gęstości cieczy. Jedną z prostszych metod pomiarów gęstości, lecz mało dokładna jest metoda naczyń połączonych. Polega ona na wlaniu do jednego ramienia rurki w kształcie litery „U” ciecz badaną, a do drugiego ciecz pomocniczą, nie mieszającą się z cieczą badaną, o znanej gęstości d₀. Gęstość wyznacza się wtedy ze wzoru , gdzie h i h₀ to wysokości słupów cieczy mierzonych od płaszczyzny rozdziału.

Następnie są pomiary gęstości, które wykonuje się stosując prawo Archimedesa. Mówi ono, iż ciało zanurzone w cieczy traci na wadze tyle, ile waży ciecz wyparta przez to ciało. Do metod stosujących tą metodę należą waga hydrostatyczna oraz aerometry. Waga hydrostatyczna składa się z ramienia i pływaka, o określonej objętości, który zanurza się w badanej cieczy i następnie dociążając ramię równoważy się ciężar cieczy wypartej przez pływak. Jest to metoda dokładna. Aerometry to pływaki o określonej objętości oraz masie, które zanurza się badanej cieczy. Każdy aerometr służy do badania cieczy o określonej gęstości. Aerometr zanurza się w cieczy o określonej gęstości na określoną głębokość. Dzięki naniesionej na niego podziałce można odczytać gęstość. Jest to metoda mało dokładna.

Istnieje też pomiar gęstości metodą piknometryczną. Piknometr to kolba szklana o specjalnym kształcie i dokładnie określonej pojemności. Piknometr napełnia się określoną objętością cieczy, następnie ciecz tą waży się, dzięki czemu można wyznaczyć jej gęstość. Istnieją piknometry o różnych kształtach, przeznaczone do badania różnych rodzajów cieczy. Jest to metoda szybka, przy czym również dość dokładna.

Kolejny rodzaj gęstościomierzy stanowią gęstościomierze hydrostatyczne, wykorzystujące różnicę ciśnień na dwóch różnych głębokościach badanej cieczy. Działają przeważnie na zasadzie wdmuchiwania powietrza na dwie różne głębokości do środowiska badanej cieczy.

Ponadto istnieją gęstościomierze promieniotwórcze, które wykorzystują absorpcję, lub zmianę natężenia wiązki promieniowania γ lub β, po przejściu przez środowisko badanej cieczy. Gęstościomierze te stosuje się do pomiaru gęstości cieczy bardzo żrących, lepkich, o wysokiej temperaturze lub pod dużym ciśnieniem.

Istnieją też gęstościomierze ultradźwiękowe (wykorzystujące różnice tempa rozchodzenia się fal dźwiękowych w różnym tempie, w zależności od środowiska) oraz wibracyjne, wykorzystujące zmiany częstotliwości drgań w zależności od gęstości cieczy.

Ćwiczenie 4b

W trakcie przesuwania względem siebie dwóch warstw cieczy występuje siła tarcia wewnętrznego, która hamuje ten ruch. Aby przesunąć jedną warstwę cieczy względem drugiej z prędkością V+dv potrzeba siły określonej wzorem: , gdzie:

η – współczynnik lepkości dynamicznej, inaczej lepkość dynamiczna.

dv – różnica prędkości pomiędzy prędkościami warstw

dx – odległość pomiędzy warstwami

S – powierzchnia warstw

Liczbowo współczynnik η jest równy sile z jaką należy działać na warstwę cieczy o powierzchni 1m², aby przesunąć ja względem drugiej, takiej samej, odległej o 1m, z prędkością o 1m/s większą, niż prędkość pierwszej.

Lepkość zwykle maleje ze wzrostem temperatury. Im większa lepkość cieczy, tym wolniejszy jej przepływ. Powodują to:

- siły adhezji, które przyciągając ciecz do ścianek naczynia spowalniają jej przepływ

- siły tarcia wewnętrznego cieczy

- siły kohezji cieczy, wynikające np. z dużej ilości wiązań wodorowych w strukturze cieczy

Lepkość mierzy się wiskozymetrami różnych typów, działającymi na zasadzie przepływu cieczy przez rurkę kapilarną, bądź opadania szklanych, lub metalowych kulek w środowisku badanej cieczy.

Roztwory ciał stałych w ciekłych rozpuszczalnikach wykazują współczynnik lepkości większy od współczynnika lepkości rozpuszczalnika. Dla wielu substancji, m.in. wodnych roztworów elektrolitów, współczynnik lepkości zależy od stężenia.

Ćwiczenie 4c

Faza – Przez fazę rozumiemy część (lub całość) układu, która wykazuje w całej swej masie jednakowe właściwości fizyczne i chemiczne (w szczególności jednakowe równanie stanu) i jest odgraniczona wyraźnie od reszty układu (otoczenia).

Faza powierzchniowa – przylegająca do granicy faz część fazy ciekłej, której cząsteczki znajdują się w polu sil wyraźnie różnym od działającego na cząsteczki z wnętrza cieczy.

Napięcie powierzchniowe (międzyfazowe) – są to siły działające stycznie do powierzchni i dążące do jej zmniejszenia. W wyniku ich działania ciecz zawsze dąży do zmniejszenia ilości cząsteczek na swojej powierzchni, czyli do przyjmowania możliwie najmniejszej powierzchni. Liczbowo jest równe pracy potrzebnej do zwiększenia powierzchni cieczy o 1m²

Napięcie powierzchniowe mierzy się metodą stalagmometryczną, bądź wznoszenia kapilarnego. Metoda wznoszenia kapilarnego polega na tym, że w rurce o promieniu r poziom cieczy podnosi się do góry, aż do chwili gdy siły napięcia powierzchniowego σ działające na powierzchni 2πr zostaną zrównoważone ciężarem słupa wody o wysokości h.

Metoda stalagmometryczna polega na wykorzystaniu zależności pomiędzy ciężarem kropli tworzącej się w czasie powolnego wyciekania cieczy z rurki kapilarnej, a napięciem powierzchniowym tej cieczy. Do wykonania takiego pomiaru służy stalagmometr.

Związki powierzchniowo czynne – są to substancje koncentrujące się na granicy faz i obniżające napięcie powierzchniowe na granicy faz. Składają się z dwóch części, zwanych „ugrupowaniami”. Ugrupowania hydrofobowego, wykazującego powinowactwo do olejów oraz ugrupowania hydrofilowego, wykazującego powinowactwo do wody.

Właściwości tych związków zależą od:

- równowagi między właściwościami hydrofobowymi i hydrofilowymi

- rodzaju ugrupowania hydrofilowego

- rodzaju ugrupowania hydrofobowego

- położenia grupy hydrofilowej w cząsteczce

Związki powierzchniowo czynne dzieli się ze względu na:

a) rodzaje ugrupowań hydrofobowych

b) rodzaje ugrupowań hydrofilowych

c) klasy: jonowe i niejonowe

- związki niejonowe są to związki posiadające niezdolne do dysocjacji ugrupowania polarne

- związki jonowe są to związki, które dysocjując w wodzie tworzą jony dodatnie, ujemne, lub ich ładunek zależy od pH środowiska.

Związki jonowe dzielą się na: kationowe, anionowe i amfoteryczne

- Związki anionowe posiadają jedno ugrupowanie hydrofobowe połączone z jednym, dwoma lub trzema ugrupowaniami hydrofilowymi

- Związki kationowe posiadają jedno, dwa lub nawet trzy ugrupowania hydrofobowe w postaci łańcuchów węglowych o różnej długości i jedno lub więcej ugrupowań hydrofilowych

- Związki amfoteryczne posiadają, w roztworach wodnych, w cząsteczce zarówno dodatni jak i ujemny ładunek. W zależności od pH środowiska wykazują właściwości anionowe lub kationowe.

Związki powierzchniowo czynne niejonowe są grupą związków, która w roztworach wodnych nie dysocjuje na jony. Rozpuszczalność tych związków w wodzie jest spowodowana obecnością grup polarnych, np. polieterowych lub polihydroksylowych.