Krzysztof Kozłowski W-wa 14 IV 2007

Marcin Krajewski

Michał Ziółkowski

Sprawozdanie

Fizykochemiczna charakterystyka substancji czystych. Gęstość(I), współczynnik załamania światła(II) i napięcie powierzchniowe(III) butanolu.

Część I

Wyznaczenie gęstości i objętości molowej.

Podstawy teoretyczne

Gęstość jest to stosunek masy m do objętości danej substancji

(1.1)

Jest to tzw. gęstość absolutna, podawana zazwyczaj w g/cm³.

Objętość molowa jest to objętość jednego mola substancji. Wiąże ją z gęstością zależność

(1.2)

gdzie: M - masa molowa substancji.

Objętość molowa zależy od temperatury i ciśnienia. Dla faz skondensowanych (tzn. dla cieczy i ciał stałych) zależności te określają wzory (1.3) i (1.4) słuszne przy niezbyt dużych zmianach ciśnienia lub temperatury

, (1.3)

, (1.4)

gdzie:
- izobaryczny współczynnik rozszerzalności termicznej,

- izotermiczny współczynnik ściśliwości.

Objętość molowa jest wielkością addytywną, tzn. jej wartość dla cząsteczki można obliczyć z udziałów atomów lub grup atomów.

Gęstość substancji wyznacza się za pomocą piknometru (rys.1.1). Jest to naczynie szklane, umożliwiające dokładne zmierzenie masy cieczy o ściśle określonej objętości. Piknometr składa się z naczynia zakończonego kapilarą. Niewielkie wymiary powierzchni przekroju kapilary mają dwojakie znaczenie: zmniejszają do minimum parowanie cieczy oraz zmniejszają błędy, które mogłyby powstać przez niezbyt dokładne ustalenie poziomu cieczy w piknometrze.

Aparatura i odczynniki

- piknometr,

- ultratermostat,

- waga analityczna,

- strzykawki do cieczy.

Wykonanie ćwiczenia

- nastawiono termostat na żądaną temperaturę,

- przepłukano piknometr acetonem i wysuszono,

- zważono suchy piknometr na wadze analitycznej,

- napełniono piknometr badaną substancją i umieszczono w termostacie na 15 minut,

- usunięto bibułą nadmiar cieczy z górnej części kapilary piknometru,

- wyjęto piknometr z termostatu i po osuszeniu z zewnątrz zważono,

- pomiary wykonano w czterech temperaturach.

Opracowanie wyników

Substancja badana: butanol

Masa molowa butanolu: 74,12 g·cm^-3

Temperatura wrzenia: 117,7 °C

Masa pustego piknometru: 20,8214 g

Tabela.1.1. Wyniki pomiarów.

Temperatura /^oC	Objętość piknometru /cm^3	Masa piknometru z butanolem /g	Masa butanolu /g	Gęstość butanolu /g·cm^-3
25	9,07818	28,4215	7,6001	0,83718
30	9,08011	28,3700	7,5486	0,83133
35	9,08205	28,3331	7,5117	0,82709
40	9,08399	28,2884	7,4670	0,82200

Objętość molowa butanolu w temperaturze wrzenia równej 117,7 °C obliczona z udziałów atomowych odczytanych z tablic chemicznych¹⁾ wynosi

96,2 cm³·mol^-1

Sporządzono wykres gęstości butanolu w funkcji temperatury (wyk1.1.) i z metody najmniejszych kwadratów wyznaczono współczynnik kierunkowy prostej
(1.5) oraz wyraz wolny (1.6):

-0,0010 (1.5)

0,8618 (1.6)

Stąd:

(1.7)

Mając dane równanie prostej (1.7) wyznaczono gęstość butanolu w temperaturze wrzenia:

g·cm^-3

Wykorzystując wartość gęstości obliczonej z powyższego równania obliczono objętość molową substancji (1.2) w temperaturze wrzenia:

cm³·mol^-1.

Wnioski

Wraz ze wzrostem temperatury gęstość badanej substancji maleje - zależność
jest liniowa.

Wyznaczona objętość molowa V_m w temperaturze wrzenia jest bliska objętości molowej obliczonej z udziałów atomowych.

Część II

Wyznaczanie współczynnika załamania światła i refrakcji molowej.

Podstawy teoretyczne

Prędkość światła w ośrodku materialnym jest mniejsza od prędkości światła w próżni i zależy od rodzaju ośrodka. Przy przejściu światła z jednego ośrodka do drugiego następuje zmiana prędkości i załamanie promienia światła (rys.2.1).

Jeżeli ośrodkiem „1” jest próżnia, a „2” jest ośrodkiem materialnym, to stosunek:

(2.1)

gdzie: c - prędkość światła w próżni,

v - prędkość światła w ośrodku;

nazywa się współczynnikiem załamania światła tego ośrodka. Współczynnik załamania zależy długości fali światła i od temperatury ośrodka, przez który przechodzi (ze względu na zmianę gęstości substancji).

Wielkość opisana wzorem:

(2.2)

nazywa się refrakcją molową. Refrakcja molowa jest wielkością addytywną. Pomiary współczynnika załamania światła wykonuje się najczęściej przy użyciu refraktometrów (w naszym doświadczeniu refraktometr zanurzeniowy z termostatowanymi pryzmatami), wykorzystujących zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy dwóch ośrodków. Źródłem światła jest lampa sodowa. Pomiar współczynnika załamania światła stosuje się do identyfikacji związków chemicznych i do oznaczania ich czystości. Często wielkość ta wykazuje liniową zależność od składu roztworu, jednak najczęściej posługujemy się krzywą wzorcową.

Aparatura i odczynniki

- refraktometr,

- termostat,

- lampa sodowa,

- strzykawki.

Wykonanie ćwiczenia

- nastawiono termostat na żądaną temperaturę,

- włączono lampę sodową 10 minut przed pomiarem,

- wprowadzono pomiędzy pryzmaty refraktometru za pomocą strzykawki kilka kropel badanej cieczy,

- odczytano wartość na skali refraktometru,

- z dołączonej tablicy przeliczeniowej odczytano wartości współczynnika załamania światła.

Opracowanie wyników

Substancja badana: butanol

Masa molowa butanolu: 74,12 g·cm^-3

Użyty pryzmat: T2

Tabela 2.1. Wyniki pomiarów i obliczone wartości

Temperatura /^oC	Współczynnik załamania światła nD	Refrakcja molowa RD /cm^3·mol^-1	Refrakcja molowa po korekcji RD /cm^3·mol^-1
25	1,37194	20,119	20,1262
30	1,36970	20,152	20,1400
35	1,36758	20,151	20,1538
40	1,36535	20,166	20,1676

Na podstawie wzoru (2.2) wyliczono refrakcje molowe dla poszczególnych temperatur np.:

cm³·mol^-1

Refrakcja molowa jest wielkością addytywną i można ją obliczyć z udziałów atomów lub grup atomów¹⁾

R_D = 20,106 cm³·mol^-1

Wnioski

Na podstawie obliczeń (tab.2.1) możemy stwierdzić, że refrakcja molowa jest wielkością praktycznie niezależną od zmian temperatury. Refrakcja molowa obliczona z udziałów atomów jest porównywalna ze średnią refrakcją molową obliczoną doświadczalnie.

Część III

Wyznaczanie napięcia powierzchniowego, molowego napięcia powierzchniowego i parachory.

Podstawy teoretyczne

Wielkością charakteryzującą fazę powierzchniową (obszar granicy faz) jest napięcie powierzchniowe. Definiuje się je wzorem:

(3.1)

czyli miarę energii Helmholtza F przy zmianie powierzchni A. W układach „krople cieczy w gazie” i „pęcherzyk gazu w cieczy” istnieje różnica ciśnień po obu stronach zakrzywionej powierzchni cieczy:

(3.2)

gdzie: r - promień pęcherzyka.

Różnica ciśnień nosi nazwę ciśnienia pęcherzykowego.

Ponadto definiuje się wielkość:

(3.3)

nazywaną molowym napięciem powierzchniowym.

R. Eotvos wykazał że:

(3.4)

gdzie k jest stała Eotvos'a i jej wartość wynosi 2,12·10^-7 J·K^-1·mol^2/3.

Trzecią wielkością wyznaczoną w tej części doświadczenia jest parachora:

(3.5)

Parachora jest wielkością addytywną.

W ćwiczeniu wyznaczono napięcie powierzchniowe butanolu metodą pęcherzykową. Polega ona pomiarze maksymalnego ciśnienia w wytworzonym w cieczy pęcherzyku gazu u wylotu kapilary (kapilara o danym promieniu zanurzona na określoną głębokość w cieczy badanej).

Maksymalne ciśnienie oblicza się ze wzoru:

(3.6)

zaś napięcie powierzchniowe:

(3.7)

gdzie:

gęstość cieczy manometrycznej

różnica poziomów w manometrze

gęstość cieczy badanej

- głębokość zanurzenia kapilary

r - promień kapilary

g - 9,81m/s²

Do pomiaru ciśnienia służą dwa manometry: orientacyjny (pionowy) i dokładny (pochyły).

Aparatura i odczynniki

- aparat do wyznaczania napięcia powierzchniowego metodą pęcherzykową,

- termostat,

- pompka wodna,

- strzykawki,

- ciecz manometryczna - zabarwiony etanol.

Wykonanie ćwiczenia

- nastawić termostat na żądaną temperaturę,

- wytworzono w kapilarze nadciśnienie, a następnie wlano badaną ciecz przy użyciu strzykawki, tak aby jej poziom był około 5 milimetrów poniżej kapilary,

- za pomocą śruby mikrometrycznej opuszczono kapilarę do zetknięcia z powierzchnią cieczy, następnie zanurzono ją w cieczy na określoną głębokość 1 milimetra,

- ustalono szybkości wzrostu ciśnienia na poziomie ok.10 pęcherzyków na minutę, odczytano wskazania manometrów,

- jeżeli przed zakończeniem pomiaru zaszła konieczność zassania wody z naczynia dolnego do górnego, pod ciśnieniem wyjęto kapilarę z naczynia pomiarowego i wytarto bibułą. Po zassaniu wody do naczynia górnego kapilarę umieszczono w naczyniu pomiarowym nad cieczą, połączono ze śrubą mikrometryczną i kontynuowano oznaczanie.

Opracowanie wyników

Substancja manometryczna: butanol

Gęstość substancji manometrycznej: 7,851 g·cm^-3

Głębokość zanurzenia kapilary: 1mm

Tabela 4. Pomiary ciśnienia

Lp.	Odczyt z manometru
		T1 = 25 ^oC		T2 = 30 ^oC	T3 = 35 ^oC	T4 = 40 ^oC
		pionowego	poziomego	poziomego	poziomego	poziomego
Poziom zerowy	12,0	4,2*	4,2*	3,2	3,2
1.	13,9	14,6	14,5	13,4	13,3
2.	13,9	14,6	14,5	13,4	13,3
3.	13,9	14,6	14,5	13,4	13,3
4.	13,9	14,6	14,5	13,4	13,3
5.	13,9	14,6	14,5	13,4	13,3
Średnia	13,9	14,6	14,5	13,4	13,3
h / cm	3,8	10,4	10,3	10,2	10,1

* - układ zapowietrzony (w manometrze poziomym znajdował sie pęcherzyk powietrza)

Tabela 5. Wyniki pomiarów

T /^oC	h1 / m	h2 /m	Napięcie powierzchnio - we / N · m^-1	Parachora /kg^1/4m^3· s^-1/2mol^-1	Molowe napięcie powierzchniowe / J · mol^-2/3	Ciśnienie maksymalne / N · m^-2	k stała Eotvosa / J · K^-1·mol^2/3
25	0,0380	0,001	5,412 · 10^-2	4,270 · 10^-5	1,075 · 10^-4	284,46	4,102 · 10^-6
30	0,0376	0,001	5,375 · 10^-2	4,293 · 10^-5	1,073 · 10^-4	281,43
35	0,0373	0,001	5,353 · 10^-2	4,311 · 10^-5	1,072 · 10^-4	279,16
40	0,0369	0,001	5,316 · 10^-2	4,330 · 10^-5	1,069 · 10^-4	276,13

Przykładowe obliczenia:

• Ciśnienie maksymalne w temperaturze 25^oC

• Napięcie powierzchniowe w temperaturze 25^oC

• Molowe napięcie powierzchniowe w temperaturze 25^oC

• Parachora w temperaturze 25^oC

Wartość parachory, obliczona na podstawie udziałów atomowych wynosi:

P = 4 · 8,5 · 10^-7 + 8 · 30,7 · 10^-7 + 1 · 35,6 · 10^-7 = 3,152 · 10^-5 kg^1/4 · m³ · s^-1/2 · mol^-1

Wnioski

Z wykresu zależności
wynika, iż jest to funkcja malejąca - wraz ze wzrostem temperatury maleje wartość molowego napięcia powierzchniowego.

Mała różnica wartości refrakcji molowej oraz parachory wynika z addytywności tych wielkości. Możemy więc obliczyć te wielkości (bez wykonywania pomiarów), znając strukturę związku.

1

¹⁾ R. Bareła, A. Sporzyński, W. Ufnalski - „Chemia fizyczna. Ćwiczenia Laboratoryjne” OWPW W-wa 2000r.

---