Ćwiczenie 5: Właściwości łaściwości powierzchniowe.

Ćwiczenie 5: Właściwości
łaściwości powierzchniowe.
Chemia fizyczna
Opracowały: dr inż. Joanna Kruk, dr hab. inż. Anna Ptaszek
1.
Część teoretyczna
Napięcie powierzchniowe
Napięcie powierzchniowe jest związane z siłami kohezji działającymi pomiędzy cząsteczkami, warunkuje
spójność cieczy i powstawanie powierzchni międzyfazowej. Warunki panujące we wnętrzu cieczy różnią się od
warunków panujących na jej powierzchni. Siły działające
działające na wybraną cząsteczkę we wnętrzu cieczy są we
wszystkich kierunkach jednakowe – siła wypadkowa równa się zero. Natomiast na cząsteczki znajdujące się na
powierzchni działają przede wszystkim siły skierowane w kierunku wnętrza cieczy nie skompensowane
skompensowan od
strony fazy gazowej (pary) – rys. 1. Siły istniejące między cząsteczkami cieczy działają w kierunku zmniejszenia
powierzchni odgraniczającej ciecz od pary, a więc zmniejszenia liczby cząsteczek znajdujących się na
powierzchni.
Rys. 1. Oddziaływania między cząsteczkami na powierzchni i w głębi cieczy.
Przeniesienie cząsteczek z wnętrza cieczy na powierzchnię wymaga wkładu energii – energii powierzchniowej
cieczy. Wielkość ta jest opisywana za pomocą napięcia powierzchniowego, które działa równolegle do
powierzchni, przeciwstawiając się jej zwiększaniu. Napięcie powierzchniowe wyrażane jest w jednostkach pracy
na jednostkę powierzchni (J/m2) lub w jednostkach siły na jednostkę długości (N/m). Sens fizyczny napięcia
powierzchniowego wyjaśnia doświadczenie,
doświadczen w którym na ramce o szerokości l z ruchomą poprzeczką rozpięta
jest błona cieczy (rys. 2).
1
Ćwiczenie 5: Właściwości
łaściwości powierzchniowe.
Chemia fizyczna
Opracowały: dr inż. Joanna Kruk, dr hab. inż. Anna Ptaszek
Rys. 2. Rozciąganie błony cieczy rozpostartej na ramce.
Działanie siły F powoduje przesunięcie poprzeczki na odległość h od pionowego boku ramki. W ten sposób
zostanie wykonana praca F·h,, a powierzchnia cieczy po obu stronach ramki wzrośnie o 2·
2·lh. Napięcie
powierzchniowe σ wyraża się wzorem:
wzorem
σ=
F
2l
Przykładowe wartości σ dla wybranych cieczy przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Napięcie powierzchniowe wybranych cieczy w temperaturze 20°C.
σ, N/m · 102
Związek
Woda
7,28
Benzen
2,89
Aceton
2,37
Alkohol etylowy
2,23
Na skutek działania sił przylegania (sił adhezji) powierzchnia cieczy tworzy z powierzchnią ciała stałego kąt,
który nazywany jest kątem zwilżania ((θ) – rys 4. Wartość kąta zwilżania poniżej 90° świadczy o tym, że ciecz
zwilża powierzchnię ciała stałego, natomiast powyżej 90° ciecz nie zwilża ciała stałego. Ciecz znajdująca się w
kapilarze (kąt zwilżania różny od 90°) tw
tworzy menisk – zakrzywienie powierzchni w miejscu styku cieczy ze
ścianką kapilary (rys. 4).
Rys. 4. Kąt zwilżania (θ);; menisk wypukły (lewo) – ciecz niezwilżająca kapilary; menisk wklęsły (prawo) –
ciecz zwilżająca kapilarę
Wynikiem istnienia napięcia powierzchniowego na granicy fazy ciekłej jest zjawisko wznoszenia się cieczy w
rurkach kapilarnych (rys. 4).
2
Ćwiczenie 5: Właściwości
łaściwości powierzchniowe.
Chemia fizyczna
Opracowały: dr inż. Joanna Kruk, dr hab. inż. Anna Ptaszek
Rys. 5. Wznoszenie się cieczy w kapilarze.
Jeżeli powierzchnia kapilary jest zwilżana przez ciecz – oddziaływanie cząsteczek cieczy na powierzchnię
kapilary jest silniejsze, niż między cząsteczkami cieczy – wówczas tworzy się warstwa powierzchniowa, a
wznoszeniu się cieczy towarzyszy zmniejszenie powierzchni. Siła, która powoduje wznoszenie cieczy, jest
równa iloczynowi napięcia powierzchniowego
powierzchniowego i długości krzywej, wzdłuż której działa (2
( πr). Wznoszenie
cieszy ma miejsce do momentu, gdy nastąpi zrównanie siły napięcia powierzchniowego z siłą ciężkości słupa
cieczy w kapilarze
2π ⋅ r ⋅ σ = π ⋅ r 2 ⋅ h ⋅ ρ ⋅ g
gdzie: ρ – gęstość cieczy, g – przyspieszenie
przyspies
ziemskie. Wysokość, na którą wzniesie
niesie się ciecz, wyniesie więc:
h=
2σ
ρ ⋅g ⋅r
Na równaniu tym oparta jest zresztą jedna z metod wyznaczania napięcia powierzchniowego.
Z napięciem powierzchniowym związane są także inne zjawiska, np. odrywanie przedmiotów przylegających do
powierzchni (oparta na tym zjawisku metoda tensometryczna wyznaczania σ) czy też wydzielanie się banieczek
gazu z cieczy (metoda pęcherzykowa).
Napięciee powierzchniowe, będące rezultatem oddziaływań międzycząsteczkowych, w dużym stopniu zależy od
temperatury. Zależność ta jest zazwyczaj liniowa.
Napięcie powierzchniowe roztworów
Rozpuszczanie danej substancji w cieczy powoduje zmianę jej napięcia powierzchniowego. Zdolność
zmniejszania napięcia powierzchniowego nazywamy aktywnością powierzchniową, którą definiujemy jako
G=−
dσ
dc
Rozpatrując wodne roztwory stwierdzamy, że większość związków chemicznych powoduje zmniejszenie
napięcia powierzchniowego (wykluczając mocne elektrolity). Wpływ substancji rozpuszczonej na napięcie
powierzchniowe jest zależny od tego, czy stężenie tej substancji
substancji w warstwie powierzchniowej jest większe, czy
też mniejsze niż w głębi roztworu.
Cząsteczki związków powierzchniowo czynnych (powierzchniowo aktywnych) charakteryzuje obecność
grup/regionów hydrofilowych (grupy aminowe, karboksylowe, hydroksylowe, jonogenne) i hydrofobowych
3
Ćwiczenie 5: Właściwości
łaściwości powierzchniowe.
Chemia fizyczna
Opracowały: dr inż. Joanna Kruk, dr hab. inż. Anna Ptaszek
(łańcuchy węglowodorowe). Cząsteczki o takiej budowie będą gromadzić się na powierzchni zgodnie ze
schematem przedstawionym na rysunku 6. Do wnętrza cieczy będą wciągane grupy hydrofilowe, a jednocześnie
silnie wypychane łańcuchyy węglowodorowe.
Rys. 6. Usytuowanie cząsteczek związku powierzchniowo aktywnego na powierzchni cieczy.
Taka budowę maja powszechnie stosowane mydła, których działanie polega m.in. na zmniejszaniu napięcia
powierzchniowego wody. Zastosowanie środków powierzchniowo
powierzchniowo aktywnych jest bardzo szerokie dzięki
swoistym
właściwościom;
m.in.
działaniu
emulgującemu.
Polega
ono
na
zmniejszaniu
napięcia
powierzchniowego między fazami skondensowanymi w układach koloidalnych, a więc o szczególnie rozwiniętej
powierzchni.
i. Stabilność takich układów jest w decydujący sposób uzależniona od napięcia międzyfazowego.
Aktywność powierzchniowa jest ściśle związana z gromadzeniem się substancji na powierzchni międzyfazowej
(adsorpcją). Zaadsorbowane warstwy substancji powierzchniowo
powierzchniowo aktywnej wykazują ciekawe cechy, które ująć
można w sposób ilościowy. Mianowicie warstwę taką można porównać z gazem dwuwymiarowym, gdyż
cząsteczki mogą się w tym przypadku dość swobodnie poruszać po powierzchni.
Ważny jest również związek między zmiana
zmiana napięcia powierzchniowego a stężeniem powierzchniowym
substancji powierzchniowo aktywnej. Związek ten podany jest w równaniu Gibbsa:
Γ=
c
⋅G
RT
gdzie: Γ jest stężeniem powierzchniowym, mol/cm2.
4
Ćwiczenie 5: Właściwości powierzchniowe.
Chemia fizyczna
Opracowały: dr inż. Joanna Kruk, dr hab. inż. Anna Ptaszek
2.
Część doświadczalna
A) Przygotowanie roztworów
W pierwszej kolejności należy sporządzić naważki białka, wskazanego przez prowadzącego, do przygotowania
roztworów o stężeniach 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 g/100ml. Naważki należy sporządzić na naczynkach wagowych i
przenieść ilościowo do butelek o pojemności 100ml, a następnie butelki z roztworami umieścić w wytrząsarce na
ok. 15 do 30 min.
B) Pomiar gęstości roztworów białka za pomocą wagi hydrostatycznej
Objętość
25 ml
każdego
z
przygotowanych
roztworów
należy
umieścić
w
zlewkach
o pojemności 25 ml.
Wyznaczyć masę ciała zanurzanego w badanym roztworze – kulki o średnicy 9,475mm i zapisać jako
m1, g.
Zanurzyć kulkę w badanej cieczy i na tej podstawie wyznaczyć pozorny ubytek masy kulki, a
otrzymany wynik zapisać jako m2, g.
Wyliczyć objętość (Vk) kulki wyrażoną w cm3 ze wzoru:
Vk =
4 3
πR
3
Wyznaczyć gęstość badanych roztworów (ρr) na podstawie zależności
ρr =
m1 − m2
Vk
Wynik podać w kg·m-3.
Pomiary wykonać w pięciu powtórzeniach.
Wyznaczyć średnią gęstość badanych roztworów ( ρ r ) i odchylenie standardowe.
5
Ćwiczenie 5: Właściwości powierzchniowe.
Chemia fizyczna
Opracowały: dr inż. Joanna Kruk, dr hab. inż. Anna Ptaszek
C) Pomiar napięcia powierzchniowego metodą stalagmometryczną
Rys. 8. Stalagmometr.
Ostrożnie zamocować stalagmometr (rys. 8 powyżej) za pomocą łapy do statywu.
Przepłukać stalagmometr wodą destylowaną.
Napełnić stalagmometr wodą destylowaną (ciecz wzorcowa), za pomocą pompki do pipet, a następnie
liczyć krople wody powstające z danej objętości (objętości znajdującej się pomiędzy górą i dolną
kreską stalagmometru). W tym celu należy napełnić stalagmometr powyżej górnej kreski, a liczenie
rozpocząć, gdy menisk cieczy będzie znajdował się na wysokości pierwszego przewężenia. W
momencie gdy menisk cieczy osiągnie wysokość drugiego przewężenia liczenie należy zakończyć.
Przed napełnieniem stalagmometru badanym roztworem należy przepłukać go niewielką ilością
badanego roztworu.
Napełnić stalagmometr badanym roztworem.
Następnie należy liczyć krople cieczy powstające na skutek wypływu cieczy ze stalagmometru tak jak
w przypadku wody. Pomiar wykonać trzykrotnie dla każdego ze stężeń.
Napięcie powierzchniowe cieczy badanej oblicza się ze wzoru
σ =σw ⋅
nw ⋅ ρ
, N·m-1
n ⋅ ρw
6
Ćwiczenie 5: Właściwości powierzchniowe.
Chemia fizyczna
Opracowały: dr inż. Joanna Kruk, dr hab. inż. Anna Ptaszek
gdzie: nw, n, - liczba kropli wody i cieczy badanej uzyskana z danej objętości stalagmometru; ρw, ρ gęstość wody i cieczy badanej.
Napięcie powierzchniowe wody, w temperaturze T w °C, należy obliczyć ze wzoru:
σ w = [72,9 − 0,155(T − 18)]⋅10 −3 , N·m-1
lub odczytać z tablic fizykochemicznych.
Na podstawie otrzymanych danych należy wykonać wykres zależności σ(c) (c – stężenie).
4. Sprawozdanie
W sprawozdaniu proszę umieścić
•
Tabelkę według wzoru
Specjalność
Data wykonania
ćwiczenia
Temat ćwiczenia
Data oddania
sprawozdania *
Numer grupy
Ocena
Imię i nazwisko
* Datę oddania sprawozdania wpisuje prowadzący.
•
Krótki
wstęp
teoretyczny
zawierający
charakterystykę
metod
pomiaru
napięcia
powierzchniowego ze szczególnym uwzględnieniem tych stosowanych w trakcie zajęć.
•
Wzory, wyniki obliczeń wymienione w części doświadczalnej.
•
Wnioski
•
Źródła literaturowe użytych do obliczeń wielkości fizycznych
7