POMIAR NAPIĘCIA POWIEŻCHNIOWEGO CIECZY METODĄ STALAGMOMETRYCZNĄ

Ciecze rzeczywiste mają własną objętość, podobnie jak gazy nie mają własnego kształtu i wykazują w zasadzie właściwości izotropowe. Ich właściwości wynikają z ich struktury wewnętrznej, która odznacza się bardzo małymi (w porównaniu do gazów)
odstępami między cząsteczkami oraz stosunkowo dużymi siłami oddziaływania między
cząsteczkowego. Siły te zazwyczaj mniejsze niż w ciałach stałych są szczególnie duże, gdy cząsteczki są spolaryzowane lub zawierają wiązania atomowe. W tych przypadkach ciecze wykazują znaczny stopień asocjacji cząsteczek.

Warunki panujące we wnętrzu cieczy różnią się od warunków panujących na jej
powierzchni. Siły działające na wybraną cząsteczkę we wnętrzu cieczy są we wszystkich
kierunkach jednakowe, tak iż siła wypadkowa równa jest zeru. Na cząsteczki znajdujące się na powierzchni działają natomiast przede wszystkim siły skierowane w kierunku wnętrza
cieczy nie skompensowane od strony fazy gazowej. Dlatego też ciecze wykazują tendencję do zmniejszania liczby cząsteczek znajdujących się na ich powierzchni. Dzięki temu
powierzchnie cieczy kurczą się ściągane znacznymi siłami, a zwiększenie powierzchni
wymaga pokonania tych sił.

Dana ilość cieczy o określonej objętości ma minimalną powierzchnię wtedy, gdy ma kształt kuli. Wszystkie ciecze wykazują tendencję do przyjmowania tego kształtu, jeżeli nie działają na nie zaburzająco siły grawitacji lub też inne siły.

Napięcie powierzchniowe cieczy γ definiujemy za pomocą równania:
, gdzie:
F - oznacza siłę, z jaką pas o szerokości l ściąga powierzchnię w kierunku równoległym do długości pasa.

W celu zwiększenia powierzchni należy wykonać pracę równą iloczynowi napięcia powierzchniowego i przyrostu powierzchni. Wytworzenie przyrostu S wymaga nakładu pracy γS. Ilość energii mechanicznej zmagazynowanej w ten sposób nazywamy energią
powierzchniową. Iloraz energii powierzchniowej i powierzchni jest równy napięciu
powierzchniowemu, które uważa się za powierzchniową energię właściwą.

Wynikiem istnienia napięcia powierzchniowego na granicy fazy ciekłej jest zjawisko wznoszenia się cieczy w rurkach kapilarnych. Jeżeli powierzchnia kapilary zwilżana jest przez ciecz, wówczas tworzy się warstwa powierzchniowa. Wznoszeniu się cieczy
towarzyszy zmniejszanie powierzchni.

Siła, która powoduje wznoszenie cieczy, jest równa iloczynowi napięcia
powierzchniowego i długości krzywej, wzdłuż której działa, tj. 2πr , gdzie 2r to średnica
kapilary.

Ciecz wznosi się dotąd, dopóki nie nastąpi zrównanie siły napięcia powierzchniowego z siłą ciężkości słupa cieczy w kapilarze: 2πrγ = πr²hdg, gdzie: d - gęstość cieczy;
g - przyspieszenie ziemskie; h - wysokość, na którą wzniesie się ciecz.

Napięcie powierzchniowe zależy w dużym stopniu od temperatury. Zależność ta jest zazwyczaj liniowa: γ_t = γ_o - at, gdzie: a - stała, t - temperatura.

Molowa energia powierzchniowa θ definiowana jest jako energia napięcia
powierzchniowego 1 mola cieczy pod postacią kuli. Pochodna molowej energii
powierzchniowej powinna być stała dla wszystkich cieczy i niezależna od temperatury.

Parachora: P = Vγ^1/4, gdzie: V - objętość molowa. Parachora to wielkość addytywna, tzn. że można ja obliczyć jako sumę tzw. parachor atomowych, charakterystycznych dla
atomów wchodzących w skład cząsteczki, oraz tzw. parachor strukturowych,
charakterystycznych dla rodzajów wiązań w cząsteczce.

WYKONANIE ĆWICZENIA

Do badań otrzymujemy trzy ciecze. Najpierw wykonujemy pomiar dla wody, a
następnie dla badanych cieczy (każdy pomiar wykonujemy minimum trzy razy).
Stalagmometr napełniamy powyżej górnej kreski i liczymy liczbę kropel wypływającą z danej objętości. Wyniki pomiarów umieszczamy w tabeli.

ZESTAWIENIE WYNIKÓW

Tabela 1. Wyniki pomiarów.

Liczba kropel wody nw	Liczba kropel cieczy I nI	Liczba kropel cieczy II nII	Temperatura cieczy t [^oC]
101 101 101 100 102	217 217 216 219	269 266 269 269	25

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

• ciecz I: C₈H₁₀, M. = 106,8 g/mol, d = 0,87 g/cm³,

• ciecz II C₄H₈O₂, M. = 88,4 g/mol, d = 0,9 g/cm³,

Na podstawie wzorów sumarycznych możemy zaproponować następujące wzory strukturalne:

dla ciecz I

o-ksylen n -ksylen p-ksylen

dla cieczy II

octan etylu kwas masłowy propionian metylu

abela 2.

Badana substancja	d [g/cm^3]	Pobl [10^-4kg^1/4m^3/s^1/2kmol]	γlit. [10^-3N/m]
o-ksylen	0,88	508,5	29
octan etylu	0,90	387,6	24,3

WNIOSKI

Ćwiczenie polega na wyznaczeniu napięcia powierzchniowego nieznanej czystej cieczy metodą stalagmometryczną, obliczeniu wartości parachory cieczy oraz zasugerowaniu wzoru strukturalnego na podstawie znanej gęstości ciecz, masy molowej oraz wzoru sumarycznego. Na postawie wykonanych pomiarów możemy ustalić wzory strukturalne badanych związków. Wartości literaturowe są nieznacznie różne od otrzymanych w ćwiczeniu. Wymienione różnice są wynikiem między innymi niedokładnym wyznaczeniem liczby kropel, niedoskonałością aparatury pomiarowe oraz w trudności wyznaczenia momentu oderwania się pierwszej i ostatniej kropli wypływającej z danej objętości stalagmometru.

Wyznaczanie struktury związku organicznego tą metodą nie jest zbyt dokładne lepiej można to osiągnąć stosując inne metody analizy substancji.

---