Metale Nieżelazne 14.05.2002

Inżynieria Materiałowa

Rok II

Ćwiczenie 2

Napięcie powierzchniowe w układzie faza ciekła - faza gazowa

Piotr Włoch

Wprowadzenie

Cząstka cieczy, znajdująca się na powierzchni fazowej ciecz-gaz, jest poddana oddziaływaniu sił między cząsteczkowych obydwu ośrodków. Siła wypadkowa, skierowana prostopadle do powierzchni fazowej, dąży, do wciągnięcia cząstki w głąb cieczy. Objawia się to dążnością układu do zmniejszenia powierzchni fazowej. Zjawisko to nazywa się napięciem powierzchniowymi Miarą napięcia powierzchniowego jest siła działająca na jednostkę długości na powierzchni fazowej ( siła styczna do tej powierzchni, dążąca do jej Zmniejszenia) lub praca potrzebna do zwiększenia powierzchni fazowej o jednostkę. Równoważnymi wymiarami

napięcia powierzchniowego są więc
oraz
.

Najmniejszą wartość stosunku wielkości powierzchni do objętością wykazuje kula. Stąd też, w wyniku działania napięcia powierzchniowego dążącego do zmniejszenia powierzchni fazowej, ciecze zawieszone w fazie gazowej przyjmują kształt kulistych kropel (krople mgły, krople cieczy wypływającej ze zbiornika). Zjawisko staje się bardziej złożone w przypadku zetknięcia się trzech faz (np. dwie fazy ciekłe i faza gazowa lub fazy ciekła, stała i gazowa itp.). Na cząsteczkę cieczy znajdującą się na granicy zetknięcia się trzech faz oddziaływają siły międzycząsteczkowe trzech, ośrodków. W przypadku jeżeli napięcie powierzchniowe na granicy faz ciekła-gazowa jest większe niż na granicy faz ciekła-stała, wówczas obserwuje się zwilżanie. Ma to miejsce w układach takich, jak na przykład: woda-odtłuszczona powierzchnia szkła, benzen-metal, miedź-rtęć. W przeciwnym przypadku obserwuje się brak zwilżalności np. woda-natłuszczona powierzchnia metalu lub szkła, rtęć-szkło lub rtęć-żelazo itp. W obydwu przypadkach (zwilżalność lub brak zwilżalności) zwiększa się ta powierzchnia, której rozbudowa jest związana z mniejszym nakładem energii.

Tematem niniejszego ćwiczenia jest napięcie powierzchniowe na granicy faz ciekłej i gazowej. Tak zwane napięcie powierzchniowe właściwe wyznacza się w układzie nie zawierającym obcych gazów (ciecz-para). Jednakże obecność obcych gazów, gdy nie reagują one z badaną cieczą, wpływa w zaniedbywalnie małym stopniu na mierzoną wielkość.

Zależność napięcia powierzchniowego cieczy od temperatury opisuje wyprowadzone przez Etövösa równanie (1):

(1)

gdzie: M oznacza ciężar cząsteczkowy, d - ciężar właściwy (stąd
jest objętością jednego mola), T_K - temperatura krytyczna, K jest wartością stałą.

Zależność napięcia powierzchniowego od stężenia substancji rozpuszczonych posiada charakter złożony, zależny od rodzaju układu. Dla wodnych roztworów kwasów tłuszczowych zależność tę ujmuje wyprowadzone przez Szyszkowskiego równanie (2):

(2)

gdzie:
oznacza napięcie powierzchniowe czystego rozpuszczalnika,
- roztworu, a oraz b są stałymi, c - stężeniem. Zależność napięcia powierzchniowego od stężenia wiąże się w tym przypadku ze zjawiskiem adsorpcji substancji rozpuszczonej na granicy fazowej. W przypadku stopów metali brak jest ogólnego równania ujmującego zależność napięcia powierzchniowego od stężenia. Dodatkowym czynnikiem komplikującym sytuację w tych układach jest możliwość powstawania różnych związków.

Jak wynika z definicji napięcia powierzchniowego, zmiana wielkości powierzchni fazowej wiąże się z efektami energetycznymi. Zmiana energii swobodnej związana ze wzrostem powierzchni o 1 cm² jest równa potrzebnej do tego pracy. Tak więc energia swobodna 1 cm² powierzchni fazowej jest równa napięciu powierzchniowemu:

. (3)

Uwzględniając znane zależności

(4a)

oraz

F = U - TS (4b)

można napisać

. (5)

U oznacza tu całkowitą energię 1 cm² powierzchni fazowej.

Cel ćwiczenia

1. Pomiar napięcia powierzchniowego alkoholu oraz roztworu mydła metodami stalagnometryczną i pęcherzykową. Wyznaczenie błędów względnych i ocena dokładności metod.

2. Pomiar napięcia powierzchniowego (metodą stalagmometryczną lub pęcherzykową) roztworów wodnych mydła oraz alkoholu o różnych stężeniach. Ustalenie w oparciu o uzyskane wyniki zakresu stosowalności równania Szyszkowskiego oraz ewentualne wyznaczenie współczynników tego równania.

3. Wykreślenie na podstawie danych tabelarycznych zależności napięcia powierzchniowego wody, glinu, cynku, cyny, ołowiu i miedzi od temperatury. W oparciu o ten wykres należy wyznaczyć wartości
   . Należy również wyznaczyć całkowitą energię powierzchniową tych substancji (równie (5)).

Wyniki pomiarów

1.

	Metoda stalagmometryczna				Metoda pęcherzykowa
Substancja	Ilość kropel w kolejnych pomiarach n	Ciężar właściwy d			Manometryczna różnica poziomów h'	Głębokość zanurzenia kapilary h
	-		-				-
H2O	44	1.00	1.00	72.583	37	21	1.00	72.583
					44							38
					44							39
					44							38
	alkohol 100%				120				0.807	0.297	21.557	23	21	0.434	31.501
					119							24
					120							26
					119.67							24.33
	0.1% roztwór mydła				91				1.00	0.482	34.985	32	21	0.628	45.582
					91							32
					92							31
					91.33							31.67

2.

Stężenie	Ciężar właściwy dX	Ilość kropel nX	Napięcie powierzchniowe	Błąd względny
		-			-	-
100	0.807	119.67	21.537	4.3
80	0.859	114.67	23.924	4.4	-2.500	-0.4
60	0.909	115.00	25.244	4.4	-1.250	-0.8
40	0.948	106.33	28.473	4.4	-0.666	-1.5
20	0.974	80.67	38.560	4.7	-0.235	-4.26
10	0.985	66.33	47.426	5.0	-0.075	-13.33
5	0.991	56.00	56.516	5.3	-0.075	-13.33
1	0.997	47.00	67.746	5.6

3.

H2O		Sn		Pb		Al		Zn		Cu
t^0		t^0		t^0		t^0		t^0		t^0
[^oC]		[^oC]		[^oC]		[^oC]		[^oC]		[^oC]
0	75.626	232	578.8	327	469.9	706	494	420	773.0	1131	1103
5	74.860	250	575.8	370	465.9	762	489	505	762.2	1150	1145
10	74.113	300	566.0	425	447.3	794	483	545	749.5	1200	1154
15	73.350	350	556.2	472	443.4	816	480	616	739.7	1215	1166
20	72.583	400	545.4	507	440.5	897	469	635	728.9
25	71.810	450	535.6	557	430.7	906	466
30	71.035	500	525.8	610	421.8	935	463
35	70.230	550	516.0	657	415.9
40	69.416	600	506.2
45	68.592
50	67.799
55	66.894
60	66.040
65	65.167
70	64.274
75	63.393
80	62.500
85	61.587
90	60.684
95	59.763

Wnioski:

Jak widać z wyznaczonych błędów względnych metoda pomiaru napięcia powierzchniowego metodą stalagmometryczną jest dużo dokładniejsza niż metoda pęcherzykowa. Widzimy, iż błąd względny dla metody stalagmometrycznej nie przekracza 5% natomiast przy metodzie pęcherzykowej mamy błędy w okolicach 30 - 40%.

W naszym przypadku wykres odwrotności pochodnej jako funkcja stężenia jest linią prostą w przedziale stężeń od 20 do 80%. Świadczy to o tym, iż w badanym układzie w tym danym zakresie stężeń można stosować równanie Szyszkowskiego.

Powyżej mamy wyznaczone wartości U, które są stałą dla danego metalu. I tak odpowiednio: dla wody U = 121.22, dla cyny 679.19, dla ołowiu 569.38, dla aluminium 631.94, dla cynku 909.73 i dla miedzi 251.33. Jak widać największą wartość energii 1 cm² powierzchni gazowej posiada cynk, natomiast najmniejszą woda.

Wartość tej stałej w przypadku szeregu cieczy organicznych wynosi 2.12. Stwierdzenie niższej wartości K wiązano dawniej a asocjacją cząstek cieczy. Obecnie przypisuje się to działaniu szeregu innych, nie zawsze znanych czynników.

---