(10) Pomiar napięcia powierzchniowego cieczy

Chemia Fizyczna, ćwiczenia rachunkowe
Chemia, semestr IV
(10) Pomiar napięcia powierzchniowego cieczy
1. Kąt zwilżania szkła przez wodę jest bliski zera. Oblicz napięcie powierzchniowe wody w temperaturze 30 oC wiedząc, że w tej temperaturze w rurce kapilarnej o średnicy wewnętrznej 0,320
mm wznosi się ona na wysokość 9,11 cm. Gęstość wody w temp. 30 oC wynosi 0,9956 g.cm-3.
2. Na prostokątnej ramce wykonanej z cieniutkiego drutu, której jeden z boków można poruszać,
rozpięto błonkę pirydynową. Wiedząc, że długość ruchomego boku ramki wynosi 8,53 cm, a siła
potrzebna do wprawienia go w ruch wynosi 6,48 mN, oblicz napięcie powierzchniowe pirydyny.
Oblicz także pracę potrzebną do przesunięcia boku ramki o 1,0 mm.
3. Po zanurzeniu końca cienkościennej kapilary w pewnej cieczy na głębokość 1,5 cm zaobserwowano efekt kapilarny polegający na tym, że ciecz wzniosła się na wysokość 3,5 cm nad poziom
cieczy w naczyniu. Traktując kapilarę jako pipetkę zassano ciecz tak, że wysokość jej słupa
w kapilarze wzrosła do 20,0 cm. Następnie zamknięto górny otwór kapilary, po czym delikatnie
uniesiono jej koniec nad powierzchnię cieczy. Na koniec otwarto ponownie górny otwór,
powodując wypływ części cieczy z kapilary. Oblicz długość słupa cieczy pozostałej w kapilarze.
Przyjmij, że materiał kapilary jest doskonale zwilżany przez ciecz oraz pomiń wszelkie efekty
związane z powstawaniem kropli u wylotu kapilary.
4. Pomiar napięcia powierzchniowego cieczy metodą du Nouy’a polega na zmierzeniu siły
potrzebnej do oderwania od powierzchni cieczy spoczywającego na niej pierścienia wykonanego
z cienkiego drutu. Do oderwania od powierzchni CCl4 pierścienia o promieniu 5,03 mm użyto
siły 1,77 mN. Przyjmując, że współczynnik korekcyjny ma wartość 0,953, oblicz napięcie
powierzchniowe CCl4.
5. Stwierdzono, że w celu wywołania kondensacji czystej pary wodnej w temperaturze 25 oC
należy poddać ją sprężeniu do tego stopnia, by jej ciśnienie było co najmniej 2,7 razy wyższe od
prężności pary nasyconej wody w tej temperaturze. Oszacuj liczbę cząsteczek wody wchodzących
w skład jednej kropelki powstającej w ten sposób „mgły”. (σ = 72 mN.m-1, ρ = 997,05 kg.m-3)
6. Wnętrza dwóch baniek mydlanych (o promieniach r1 = 5 cm i r2 = 10 cm) połączono za
pomocą cieniutkiej rurki. Co nastąpiło?
Chemia Fizyczna, ćwiczenia rachunkowe
Chemia, semestr IV
(11) Napięcie powierzchniowe i lepkość roztworów
1. Warstewka powierzchniowa ścięta (przy pomocy urządzenia zwanego mikrotomem) z 310 cm2
powierzchni roztworu kwasu cynamonowego (M = 150 g.mol-1) o stężeniu 4 g.kg-1 H2O zawierała
2,5 g roztworu. Różnica pomiędzy ilością kwasu w tej warstewce i w głębi roztworu wynosiła
1,3.10-5 g kwasu na 1 g H2O. Oblicz molowy nadmiar powierzchniowy kwasu cynamonowego
w tym roztworze. Ponadto wiadomo, że mierząc napięcie powierzchniowe trzech roztworów
kwasu o stężeniach m = 3,5, 4 oraz 4,5 g.kg-1 H2O, otrzymano odpowiednio σ = 56, 54, 52
mN.m-1. Znajdź nadmiar powierzchniowy kwasu cynamonowego z równania izotermy Gibbsa.
2. Dla bardzo rozcieńczonych roztworów związków powierzchniowo czynnych równanie
Szyszkowskiego można stosować w uproszczonej postaci (dlaczego?): σ = σo - a.b.c.
Posługując się obiema postaciami równania Szyszkowskiego oblicz napięcie powierzchniowe
0,0015 mol.dm-3 roztworu kwasu propionowego. Wyznaczone w temperaturze 20 oC wartości
stałych a i b wynoszą odpowiednio 0,013 N.m-1 oraz 6,43 dm3.mol-1. Jakie powinno być stężenie
kwasu propionowego, aby napięcie powierzchniowe roztworu było o 10 mN.m-1 mniejsze od
napięcia powierzchniowego wody (72,75 mN.m-1).
3. Na podstawie podanych niżej danych uzyskanych w temperaturze 20 oC oblicz molowy
nadmiar powierzchniowy dla 1,0 M roztworu azotanu amonu w wodzie. Oszacuj także grubość
tzw. pustej warstwy powierzchniowej roztworu.
c [mol.dm-3]
σ [mN.m-1]
0,50
73,25
1,00
73,75
2,00
74,65
3,00
75,52
4. Wykaż, że w przypadku wodnych roztworów n-butyloaminy, których napięcie powierzchniowe
można opisać równaniem: σ = 1 − x ⋅ ln c , w którym σo oznacza napięcie powierzchniowe wody
y
σo
a x i y to pewne stałe, nadmiar powierzchniowy Gibbsa nie zależy od stężenia.
Oblicz powierzchnię zajmowaną przez jedną cząsteczkę n-butyloaminy, jeżeli w temp. 21 oC
roztwór o stężeniu 0,25 M ma napięcie powierzchniowe 0,0457 N.m-1, zaś napięcie
powierzchniowe roztworu o stężeniu 0,125 M wynosi 0,0546 N.m-1.
5. Oblicz graniczną liczbę lepkości polimeru na podstawie poniższych danych.
c [g.dm-3]
η [g.m-1.s-1]
0,00
0,985
1,32
1,08
2,89
1,20
5,73
1,42
9,17
1,73
Chemia Fizyczna, ćwiczenia rachunkowe
Chemia, semestr IV
(12) Roztwory makrocząsteczek: sedymentacja i dyfuzja
1. Masa molowa pewnego fragmentu nici DNA wynosi 4.106 g.mol-1 a jego gęstość 1,92 g.cm-3.
Znając stałą sedymentacji tej substancji (12 Sv = 12.10-13 s), oblicz wartość jej współczynnika
dyfuzji w temperaturze 25 oC.
2. W celu wyznaczenia masy molowej pewnego białka globularnego dokonano pomiaru jego
współczynnika dyfuzji i stałej sedymentacji w roztworze wodnym w temperaturze 20 oC.
Otrzymano wartości odpowiednio 7,3.10-11 m2.s-1 oraz 5,1 Sv. Oblicz masę molową tego białka
wiedząc, że jego objętość właściwa wynosi 0,75 cm3.g-1.
3. W celu oszacowania liczbowo średniej masy molowej enzymu występującego w postaci
cząsteczek o kształcie zbliżonym do kuli, wyznaczono w temperaturze 20 oC jego współczynnik
dyfuzji (4,08.10-11 m2.s-1) oraz objętość właściwą (0,738 cm3.g-1). Oszacuj promień cząsteczki
enzymu oraz jego masę molową znając gęstość i lepkość wody w temperaturze pomiaru
(ρ = 0,9982 g.cm-3, η = 1,005 cP = 1,005.10-3 Pa.s).
4. Znajdź różnicę stężeń w 1% wodnym roztworze albuminy, jaka ustali się w stanie równowagi
sedymentacyjnej w naczyniu o wysokości 10 cm w temperaturze 25 oC. Niezależnie wyznaczona
masa molowa albuminy wynosi 4.105 g.mol-1 a jej gęstość 1,3 g.cm-3. Załóż, że stężenie albuminy
zmienia się liniowo z wysokością mierzoną od dna naczynia.
5. Badając w ultrawirówce szybkość sedymentacji zawiesiny pewnego polimeru w benzenie
stwierdzono, że po upływie 1 godziny odległość czoła fazy rozproszonej od osi obrotu wirówki
wzrosła z 6 cm do 12 cm przy prędkości obrotowej 240000 min-1. W temperaturze pomiaru
gęstość czystego polimeru wynosi 1,150 g.cm-3 a gęstość i lepkość rozpuszczalnika odpowiednio
0,8790 g.cm-3 oraz 6,52.10-4 Pa.s. Oszacuj masę molową polimeru.
6. Ustalono, że w temperaturze 20 oC stosunek współczynnika dyfuzji do stałej sedymentacji
albuminy wynosi 128 m2.s2. Wiedząc, że objętość właściwa albuminy wynosi 729 cm3.kg-1, oblicz
jej masę molową.