GRUPA NR: 25. ZESPÓŁ: 1	ĆWICZENIE NR: 2 Wyznaczanie napięcia powierzchniowego cieczy metodą stalagmometryczną i pęcherzykową.	DATA WYKONANIA ĆWICZENIA: 09.05.2006 r.
ZESPÓŁ:			OCENA:

1. WSTĘP TEORETYCZNY:

Napięciem powierzchniowym nazywamy pracę, którą należy wykonać dla utworzenia jednostkowej powierzchni rozdziału faz:

=

;
;

Podwyższenie temperatury powoduje zmniejszenie oddziaływania międzycząsteczkowego. Z tego wynika, że napięcie powierzchniowe maleje wraz ze wzrostem temperatury. Zależność ta przedstawia równanie Eotvosa:

V
= k ( T_kr - T - 6)

gdzie: V- objętość cieczy

k- stała zależna od rodzaju substancji

T_kr- temperatura krytyczna tej substancji

Skład warstwy powierzchniowej roztworów jest odmienny od składu jego wnętrza. W częściej spotykanym przypadku, gdy cząsteczki rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej przyciągają się słabiej od cząsteczek rozpuszczalnika między sobą, cząsteczki substancji rozpuszczonej są wypychane na zewnątrz fazy i warstwa powierzchniowa zawiera ich więcej. Różnica ilości moli substancji rozpuszczonej w jednostkowej ilości moli rozpuszczalnika w próbce pobranej z wnętrza roztworu i jej powierzchni, podzielona przez wielkość tej powierzchni nazywa się nadmiarem powierzchniowym Gibbsa
:

.

Jest on funkcją aktywności substancji rozpuszczonej a2 oraz napięcia powierzchniowego, co ujmuje równanie adsorpcji Gibbsa:

,
.

2. Metody pomiaru napięcia powierzchniowego:

* Metoda stalagmometryczna:

Ciecz wypływająca ze stalagmometru tworzy kroplę, która zwiększa się stopniowo i odrywa dopiero, gdy ciężar jej przezwycięży napięcie powierzchniowe.

G=

gdzie: V- objętość cieczy

- gęstość cieczy

g- przyspieszenie ziemskie

n- ilość kropli

G- ciężar kropli

Siła napięcia powierzchniowego wynosi:

F= 2 л r

gdzie r- promień kropli. W stanie równowagi:

F=G

Z tego wynika, że

2 л r
=

i na podstawie równania:

=

Obliczamy napięcie powierzchniowe po liczeniu ilości kropli. Objętości i gęstość są znane.

* Metoda pęcherzykowa:

Ta metoda polega na pomiarze ciśnienia niezbędnego do przerwania błonki powierzchniowej cieczy przez pęcherzyki powietrza. Wymagane do tego ciśnienie p na końcu kapilary równa się sumie ciśnieniu hydrostatycznemu i ciśnieniu kapilarnemu. Ciśnienie cieczy poniżej menisku jest mniejsze od ciśnienia atmosferycznego o około
, gdzie r jest promieniem rurki oraz ciśnienie wywierane przez słup cieczy wynosi:
, gdzie h_k jest wysokością kapilary zanurzonej w cieczy. Czyli manometr wskazuje ciśnienie:

P_m=
+

Czyli:

= P_m -

Porównując ciecz badaną do cieczy wzorcowej otrzymujemy:

=

=

3. CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie napięcia powierzchniowego dla roztworu 2% n-butanolu w wodzie w zależności od temperatury za pomocą dwóch wyżej wymienionych metod.

4.. WYKONANIE ĆWICZENIA

* Metoda stalagmometryczna

Ciecz wzorcowa to alkohol n-propylowy o gęstości
= 998,2
w temperaturze 20 ⁰C. Pomiar dla cieczy przeprowadzono dwukrotnie. Wyniki są następujące:

V₁= 8 cm³; n₁= 124 kropli

V₂= 8 cm³; n₂= 123 kropli

V_śr=8 cm³; n_śr= 123,5 kropli

Ciecz badana to roztwór butanolu o gęstości
= 995
. Badanym roztworem napełniono stalagmometr i wypuszczono z niego krople o znanej objętości. Ćwiczenie zostało wykonane dwukrotnie.

V₁= 8 cm³; n₁= 180 kropli

V₂= 8 cm³; n₂= 181 kropli

V_śr= 8 cm³; n₃= 180,5 kropli

Obliczenia:

V_w= V_x

₌

₌

₌

_=
=

* Metoda pęcherzykowa

Pomiary wykonane zostały w 4 temperaturach : 20⁰ C, 25⁰ C, 30⁰ C, 40⁰ C. Ciecz wzorcowa to alkohol n-propylowy. Ciecz badaną i wzorcową umieszczono w termostacie nagrzano do odpowiedniej temperatury. Następnie zanurzono na h_k=5 mm kapilarę. Wywierano ciśnienie na badaną ciecz i obserwowano pojawienie się pęcherzyków na powierzchni cieczy.

WYNIKI POMIARÓW:

Substancja	Różnica ciśnień [cm H2O]	Średnia różnica ciśnień [cm H2O]	Temperatura [^oC]
Alkohol n-propylowy	19,3	19,27	20
				19,2
				19,3
				19,0	19,03	25
				19,0
				19,1
				18,8	18,83	30
				18,8
				18,9
				18,5	18,43	40
				18,4
				18,4
	Butanol			8,3	8,3	20
				8,3
				8,2
				8,3	8,23	25
				8,2
				8,2
				8,1	8,03	30
				8,0
				8,0
				7,9	7,9	40
				7,9
				7,9

zanurzenie kapilary w roztworze:

Napięcie powierzchniowe liczy się ze wzoru:

.

Temperatura T [^oC]	Napięcie powierzchniowe wody [J/m^2]	Napięcie powierzchniowe roztworu [J/m^2]
20	0,073	0,047
25	0,072	0,046
30	0,071	0,045
35	0,07	0,044

7. WNIOSKI KOŃCOWE:

Wyniki w obu metodach są porównywalne.

Napięcie powierzchniowe zależy od rodzaju cieczy i maleje liniowo wraz ze wzrostem temperatury. Niewielka ilość substancji o własnościach amfifilowych, jaką jest n-butanol, dodana do wody powoduje znaczne obniżenie napięcia powierzchniowego roztworu wraz ze wzrostem temperatury zatem roztwór n-butanolu jest środkiem powierzchniowo-czynnym.

Wyniki doświadczenia mogą być obarczone błędem na skutek niedostatecznej dokładności odczytu różnic wysokości (metoda pęcherzykowa) oraz błędne zliczenia liczby kropel.

---