Napięcie powierzchniowe.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Cząsteczki znajdujące się na powierzchni faz skondensowanych, posiadają pewien nadmiar energii swobodnej w stosunku do cząsteczek znajdujących się we wnętrzu tych faz. Miarą tej energii jest powierzchniowa energia swobodna przypadająca na jednostkową powierzchnię, zwana właściwą powierzchniową energią swobodną lub napięciem powierzchniowym fazy :

Jednostką napięcia powierzchniowego jest [].

Działanie energii powierzchniowej możemy zaobserwować jako siłę dążącą do zmniejszenia powierzchni rozdzielającej fazy. Metody wyznaczania napięcia powierzchniowego są oparte na pomiarze tej siły. Istnieją różne metody pomiarowe, między innymi stalagmometryczna i pęcherzykowa.

Metoda stalagmometryczna polega na pomiarze wielkości kropli badanej substancji odrywającej się od powierzchni przyrządu.

Metoda pęcherzykowa polega na pomiarze maksymalnego ciśnienia potrzebnego do wytworzenia pęcherzyka powietrza na końcu kapilary zanurzonej w badanej cieczy ,  w momencie jego uwolnienia.

W obu przypadkach celem doświadczenia jest zmierzenie statycznego napięcia powierzchniowego.

Napięcie powierzchniowe czystych cieczy zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, w temperaturze krytycznej osiągając wartość zerową, co opisuje równanie :

Lub z wprowadzoną poprawką Ramsaya - Shieldsa:

gdzie V oznacza objętość molową, Tkr temperaturę krytyczna a k jest stałą dla wielu substancji przyjmującą wartość około 2,1 [erg×mol-3/2×K-1]

Skład warstwy powierzchniowej jest odmienny od składu jego wnętrza. W najczęściej 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 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:

WYKONANIE ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie napięcia powierzchniowego dla roztworów n-butanolu w wodzie oraz zbadanie zależności napięcia powierzchniowego od stężenia n-butanolu. Pomiar wykonywany jest metodą stalagmometryczną. W metodzie tej napełniamy stalagmometr powyżej górnej kreski wodą destylowaną. Następnie liczymy ilość spadających kropel od momentu osiągnięcia przez badaną ciecz poziomu górnej kreski do momentu osiągnięcia poziomu dolnej kreski. Jednocześnie przy pomocy cylindra mierzymy objętość cieczy zawartej między kreskami. W identyczny sposób wykonujemy pomiar dla roztworów, przemywając wcześniej i susząc na pompce wodnej stalagmometr. Odczytujemy napięcie powierzchniowe czystej wody destylowanej w temperaturze pomiaru z tablic. Wyliczamy objętość jednej kropli wody i badanych roztworów V (dzieląc ilość kropel n przez objętość zawartą między kreskami stalagmometru) i mierzymy suwmiarką promień stopki stalagmometru r. Wyliczamy stosunek V do r3 i z wykresu odczytujemy poprawki F dla wody i roztworów. Napięcie powierzchniowe s badanego roztworu wyliczamy z równania:

gdzie: n – ilość kropel; r - gęstość; F – poprawka; wielkości bez indeksów odnoszą się do roztworów.

Do pomiaru gęstości stosujemy metodę piknometryczną. W tym celu na wadze analitycznej ważymy czysty suchy piknometr, oraz piknometr z wodą destylowaną i piknometr wypełniony cieczą badaną. Gęstość cieczy badanej wyliczamy z równania:

WYNIKI POMIARÓW

Badanie gęstości roztworu 7%(mas.) n-butanol – woda.

mpiknometru suchego = 16,7250 g

mpiknometru z wodą = 47,0520 g

mpiknometru z roztworem = 48,3150 g

Temperatura pomiarów T = 20 oC.

Gęstość wody w temperaturze 20 oC rwody = 0,9982 g/cm3.

Gęstość roztworu:

Pomiary napięcia powierzchniowego

Średnica stopki stalagmometru r = 4,93 [mm]

woda:

n1wody = 97 kropel

n2wody = 94 kropel

nŚRwody = 95,5 kropel

V = 7,5 cm3

Odczytuję Fwody z wykresu:

Fwody = 0,249

Napięcie powierzchniowe wody w temperaturze 20 oC:

swody = 728 [N/m]

7% roztwór butanol – woda

n1R1 = 228 kropel

n2R1 = 230 kropel

nŚRR1 = 229 kropel

Z wartości Vkr/r3 nie można obliczyć poprawki F.

7% r-r butanol – woda w stosunku objętościowym z woda destylowaną 1 : 1

C% = 3,47%

n1R2 = 156 kropel

n2R2 = 157 kropel

nŚRR2 = 156,5 kropel

F2 = 0,256

7% r-r butanol – woda w stosunku objętościowym z woda destylowaną 1 : 2

C% = 2,30%

n1R3 = 145 kropel

n2R3 = 143 kropel

nŚRR3 = 144 kropel

F3 = 0,252

WNIOSKI

W przypadku pomiaru dla 7% roztworu n-butanol – woda nie było możliwości odczytania poprawki F, ponieważ stosunek Vkr/r3 był niższy od najniższego na wykresie. Dlatego też nie można policzyć dla tego roztworu napięcia powierzchniowego. Widocznie zakres pomiarowy tego stalagmometru nie obejmuje takiego roztworu. Inną przyczyną błędu mógł być zatłuszczony stalagmometr. Możliwość tą jednak wykluczamy, ponieważ wyniki uzyskane przez nas są porównywalne z wynikami uzyskanymi przez inne zespoły.

Z pozostałych wyników można jednak zauważyć, że niewielka ilość substancji o własnościach amfifilowych, jaką jest n-butanol, dodana do wody powoduje znaczne obniżenie napięcia powierzchniowego roztworu. Dalsze dodawanie tej substancji nie powoduje tak znacznego obniżenia napięcia powierzchniowego.

Substancje o własnościach amfifilowych są wykorzystywane m.in. w środkach piorących. Ich cząsteczki składają się

Lepkość

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Lepkość cieczy jest to siła tarcia występująca przy przesuwaniu sąsiednich warstw cieczy względem siebie. Siłę F potrzebną do nadania cieczy gradientu prędkości, czyli stałej różnicy prędkości dv między sąsiednimi warstwami cieczy odległymi od siebie o dx, można wyrazić równaniem:

gdzie: h - współczynnik lepkości dynamicznej danej cieczy, zwany lepkością bezwzględną; A – pole powierzchni przesuwanej; dv/dx – gradient prędkości warstw. Współczynnik h będzie równy jedności, jeżeli siła 1 N przypadająca na 1 cm2 powierzchni ciekłej spowoduje różnicę prędkości 1 cm s-1 pomiędzy dwiema warstwami cieczy, odległymi od siebie o 1 cm. Jednostką lepkości jest 1 puaz (1 P):

1 P = 1 g cm-1 s-1 = 10-1 kg m-1 s-1 .

Odwrotnością lepkości jest płynność: j = 1/h. Stosunek lepkości bezwzględnej do gęstości nazywa się lepkością kinematyczną. Lepkość różnych cieczy w tej samej temperaturze jest rózna, zależna jedynie od ich natury. Ze wzrostem temperatury lepkość wszystkich cieczy maleje w przeciwieństwie do lepkości gazów.

Metody pomiaru lepkości cieczy:

a) metoda Hopplera:

W wiskozymetrze Hopplera mierzy się prędkość wpływu kulki opadającej stacjonarnie w ośrodku lepkim.W celu wykonania pomiaru, czystą, suchą rurę pomiarową wiskozymetru napełnia się badaną cieczą, a następnie umieszcza się w niej odpowiednią kulkę o znanych parametrach (masa i średnica), taką aby prędkość jej opadania w badanej cieczy była stosunkowo nieduża. Pomiaru dokonuje się dla określonej temperatury, którą ustala się wcześniej przy użyciu termostatu kontaktowego. Po zamknięciu wlotu rury, wiskozymetr obraca się spodem do góry, tak aby ustawić kulkę w górnym położeniu i utrzymując wiskozymetr w pionie mierzy się stoperem czas opadania kulki między dwoma działkami zaznaczonymi na rurze. Pomiar czasu opadania kulki należy wykonać kilkakrotnie. W metodzie Hopplera należy również znać gęstość badanej cieczy w żądanych temperaturach. Można ją określić metodą piknometryczną. Lepkość cieczy oblicza się według wzoru:

gdzie: K – stała kulki (zależna od masy i średnicy); t – czas opadania; dk – gęstość kulki; dc – gęstość cieczy.

b) metoda Ostwalda:

W wiskozymetrze Ostwalda mierzy się czas przepływu stałej objętości cieczy (zawartej między dwoma kreskami górnego zbiornika) przez kapilarę do zbiornika dolnego. W celu wykonania pomiaru, do czystego, suchego wiskozymetru stanowiącego szklaną u-rurkę (której jedno ramię przewężone jest na pewnym odcinku w kapilarę) nalewa się badaną ciecz, tak aby jej poziom znajdował się poniżej dolnej kreski. Wiskozymetr z cieczą ogrzewa się w termostacie do żądanej temperatury. Następnie należy przepompować ciecz z dolnego zbiornika do górnego, powyżej kreski. Po odłączeniu pompki mierzy się czas wypływu cieczy wzorcowej (o znanej lepkości). Współczynnik lepkości badanej cieczy wylicza się z zależności:

gdzie: hw – współczynnik lepkości cieczy wzorcowej; d – gęstość cieczy; t – czas wpływu cieczy.

Energia aktywacji lepkości jest to maksymalna energia, jaką osiąga cząsteczka przeciskająca się między cząsteczkami sąsiednimi do dalszego położenia w rurze.

Energię aktywacji lepkości można wyliczyć z równania Arrheniusa – Guzmana :

h = A exp (E/RT)

gdzie : E – energia aktywacji lepkości.

WYKONANIE ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest pomiar lepkości 90% wodnego roztworu gliceryny metodą Hopplera.

WYNIKI POMIARÓW

Stała kulki K = 0,073356

Gęstość kulki dk = 2,403 [g/cm3]

Masa kulki mk = 4,3040 [g]

Średnica kulki 14,14 [mm]

Pomiar dla wody:

T = 293,15 [K]

t1 = 10,4 [s]

t2 = 10,6 [s]

tŚR = 10,5 [s]

Lepkość wody w 20 oC wynosi:

Pomiar dla roztworu

...