Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая химия. Методические указания
.pdf
Методы измерения поверхностного натяжения
В коллоидной химии применяются различные методы определения поверхностного натяжения. Это объясняется тем, что, несмотря
на многообразие известных методов измерения поверхностного натяжения, каждый из методов имеет определенные ограничения. Поэтому в каждом конкретном случае выбор метода измерения поверхностного натяжения должен быть «компромиссом» между разумной
точностью, доступностью оборудования, легкостью и скоростью проведения определения.
Все методы определения поверхностного натяжения делятся на
статические и динамические [2].
В статических методах поверхность жидкости находится в неподвижном состоянии, т.е. не разрушается в момент измерения. К
статическим методам относятся методы поднятия жидкости в капилляре, определения формы висячей или лежачей капли и др.
Метод определения формы капли
В этом методе с помощью проектора изображение капли проецируется на экран и определяется краевой угол смачивания . Зная ,
можно с помощью уравнения Юнга (1) рассчитать поверхностное на-
тяжение жидкости.
Метод поднятия жидкости в капилляре
В этом методе измеряется высота поднятия столба жидкости в
капилляре (рис. 3).
Рис. 3. Определение поверхностного натяжения
методом поднятия жидкости в капилляре
11
Этот метод основан на том, что внутреннее давление жидкости
зависит от кривизны поверхности жидкости. На вогнутых поверхностях оно меньше, чем на выпуклых. Этим объясняется поднятие жидкости в узких трубках, называемых капиллярами. Если опустить в
жидкость капилляр диаметром порядка 0,5–1 мм, то жидкость поднимется по капилляру и остановится на высоте h (см. рис. 3), постоянной, при определенной температуре, для данной жидкости и данного
капилляра. Высоту поднятия жидкости в капилляре можно рассчитать
по следующей формуле
, (2)
где – поверхностное натяжение жидкости;
r – радиус капилляра;
d – плотность жидкости;
g – ускорение силы тяжести.
Таким образом, измерив h, можно легко найти поверхностное натяжение.
В динамических методах определяемые поверхности жидкости
или движутся, или разрушаются. К таким методам относятся методы
отрыва кольца или пластинки, счета капель, наибольшего давления
пузырька и др.
Метод отрыва кольца.
В этом методе измеряется сила, которую нужно приложить, чтобы оторвать кольцо от поверхности жидкости. Значение этой силы
можно рассчитать по формуле
f = σ∙P, (3)
где f – сила, которую нужно приложить, чтобы оторвать кольцо;
– поверхностное натяжение;
Р – периметр кольца.
Таким образом, измерив силу, необходимую для отрыва кольца,
можно легко рассчитать поверхностное натяжение жидкости.
Метод счета капель
Для определения поверхностного натяжения этим методом надо
воспользоваться сталагмометром (рис. 4).
12
Число капель n, полученное при вытекании жидкости объемом V
из сталагмометра, является мерой поверхностного натяжения жидкости. Чем больше отдельная капля (меньше число капель в данном
объеме), тем больше . Поверхностное натяжение можно вычислить
по формуле
σ = K∙
, (4)
где n – число капель;
d – плотность жидкости;
K – константа прибора.
При выборе метода определения поверхностного натяжения, особенно в тех случаях, когда в определяемой жидкости возможно присутствие молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ), следует, в
первую очередь, учитывать скорость установления в поверхностном
слое адсорбционного равновесия.
В данной лабораторной работе используется прибор и метод Ребиндера. Описание этого метода приведено в практической части лабораторной работы.
Рис. 4. Определение поверхностного натяжения
с помощью сталагмометра
13
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Приборы и реактивы
1. Прибор Ребиндера.
2. Растворы сахарозы, хлорида калия, глицерина, этилового спир-
та, дистиллированная вода.
Описание прибора и методика определения поверхностного
натяжения жидкостей
Прибор П. А. Ребиндера для измерения поверхностного натяжения по методу наибольшего давления пузырьков состоит из сосуда 2,
капилляра 3, манометра 4 и аспиратора 5 (рис. 5) [1].
При помощи прибора Ребиндера можно наблюдать зависимость
поверхностного натяжения от температуры.
В сосуд 2 с боковым отростком наливают испытуемую жидкость.
В нее опускают вертикальную трубку с капиллярным кончиком 3 так,
чтобы кончик капилляра касался поверхности жидкости. При помощи
аспиратора 5 в сосуде 2 над жидкостью создается такое разрежение,
при котором в результате возникшей разности давлений над жидкостью в сосуде и в капилляре (сообщающемся с воздухом) пузырек
воздуха проскакивает через поверхностный слой жидкости. Для этого
открывают кран 6 аспиратора 5 и дают вытекать воде по каплям.
Краном 6 регулируют скорость образования пузырьков. Число пузырьков не должно превышать 5–8 в 1 минуту; при большей скорости
равновесные условия не достигаются, и результаты оказываются неправильными.
Пузырек воздуха отрывается от конца трубки, когда избыточное
давление в капиллярной трубке достигнет определенной величины Р,
пропорциональной поверхностному натяжению.
, (5)
где А – коэффициент пропорциональности,
r – радиус трубки,
– поверхностное натяжение.
14
Таким образом,
= KP,
(6)
где К – константа данного прибора, зависящая от радиуса капиллярного кончика трубки.
Давление в момент отрыва пузырька измеряют манометром. Записывают показания обоих колен манометра и суммируют их.
Чтобы определить константу прибора, в качестве испытуемой
жидкости берут сначала жидкость, поверхностное натяжение которой
известно, например, дистиллированную воду. Если измерить при
этом по манометру максимальное давление в момент отрыва пузырька – Р0, то константа прибора составит
,
(7)
где 0 – поверхностное натяжение H2O (из табл. 1).
Рис. 5. Схема прибора Ребиндера:
1 – капилляр; 2 – аспиратор; 3 – манометр
15
Определение константы прибора К
N отсчета
Р = h1+h
2
Р
ср
К
1
2
3
Измерение поверхностного натяжения на данном приборе проводят следующим образом. Вначале при заданной температуре определяют для подготовленного капиллярного кончика константу К, для
чего в качестве анализируемой жидкости используют дистиллиро-
ванную воду, для которой 0 = 72, 7510-3 Дж/м2 при t = 20 С.
Константа прибора рассчитывается по формуле (7). Измерения
производят трижды, для расчета берут среднее значение – Р
0ср
.
Разрежение в системе (слив воды по каплям из аспиратора 5) начинают осуществлять только после того, как кончик капилляра (предварительно промытый хромовой смесью, дистиллированной водой и
высушенный от влаги) опускают в пробирку до соприкосновения с
поверхностным слоем измеряемой жидкости.
Затем осторожно открывают кран аспиратора 6, по каплям сливают воду в стакан, создавая тем самым постепенный перепад давления и следя за тем, чтобы на кончике капилляра 3 через каждые 15–20
секунд образовывалось не более одного пузырька воздуха. В момент
отрыва пузырька фиксируют сумму наибольшего (h1) и наименьшего
(h2) показания окрашенной жидкости в обоих коленах манометриче-
ской трубки (h1 + h2).
Разность показаний уровней жидкости до начала формирования
пузырька и в момент его проскока соответствует давлению, при котором происходит отрыв пузырька. По результатам измерений заполняют табл. 2.
Таблица 2
Результаты измерений
16
Определение поверхностного натяжения жидкостей
N отсчета
P = h1+h
2
Р
ср
1
2 3
После вычисления константы прибора К, измерения повторяют
по той же методике, заменяя в пробирке дистиллированную воду анализируемой жидкостью.
Прибор высушивают и наполняют вместо воды исследуемой
жидкостью – спиртом, сахарозой ( = 20 %, 40 %), КСl ( = 20 %),
бензолом, толуолом, глицерином – по указанию преподавателя.
Измерения проводят таким же образом, как и с водой. Данные
снимают три раза и значение P = h1+h2 заносят в таблицу. Вычисляют
Pср. Величину поверхностного натяжения анализируемой жидкости
на границе с воздухом подсчитывают по формуле
= KP
.
(8)
По результатам опыта заполняют табл. 3 для каждого испытуемого вещества.
Результаты измерений
Молекулярный парахор
Точность определения поверхностного натяжения можно ориентировочно оценить по табл. 1.
Таблица 3
Более точно можно это сделать, используя полученные в опытах
экспериментальные данные по поверхностному натяжению для решения какой-либо химической задачи с последующей проверкой по
справочнику.
В качестве такой задачи нами выбран расчет молекулярного парахора Р одной из испытуемых жидкостей [1].
17
Молекулярный парахор Р есть постоянная величина, не завися-
Атом
P
aтомов
Связь, группировка
P
aтомов
H
17,1
Ионная
-1,6
K
110
Ковалентная
Ca
68
Простая
0
C
4,8
Двойная
23,2
Si
25,0
Тройная
46,6
N
12,5
Кольца
P
37,7
Трехчленное
16,7
O
20,0
Четырехчленное
11,6
S
48,2
Пятичленное
8,5
F
25,7
Шестичленное
6,1
Cl
54,3
Два атома кислорода кислоты
или сложного эфира
60,0
Br
680
I
91,0
щая от температуры и давления. Можно вычислить его на основе
экспериментальных данных по следующей формуле
, (9)
где – поверхностное натяжение;
М – молярная масса вещества;
dж – плотность измеряемой жидкости.
Парахор зависит только от строения молекулы. Таким образом,
парахор молекулы можно рассчитать не только на основе экспериментальных данных, но и на основе теоритических расчетов, как
сумму парахоров атомов и связей, входящих в состав молекулы
Р
теор
= ΣР
атомов
+ ΣР
связей
+ ΣР
циклов,
(10)
где Р
атомов
– составляющие (инкрименты) парахора для различного
вида атомов,
Р
связей
Р
циклов
– инкрименты парахора для различного вида связей,
– составляющие парахора для различного вида циклов.
Вклады атомов, связей и циклов в молекулярный парахор
Таблица 4
18
В табл. 4 приведены инкрименты парахора для некоторых элементов и структурных единиц.
Описанные особенности парахора делают его удобной характеристикой, устанавливающей связь между химическим составом,
строением молекулы и физическими свойствами образуемых веществ. Сравнение значений парахора, определенного опытным путем
(Р
) и вычисленного по правилу аддитивности (Р
эксп
), дает возмож-
теор
ность сделать заключения о строении молекул. Подобные вычисления можно использовать для установления чистоты веществ и их
концентрации в смеси.
Для проверки правильности определения поверхностного натяжения исследуемых жидкостей выполните следующие задания:
1. С помощью формулы (9), используя полученное значение по-
верхностного натяжения жидкости (указанной преподавателем), вычислите ее молекулярный парахор Р
2. Сравните найденное значение молекулярного парахора Р
с вычисленным по формуле (10) Р
теор
эксп
.
.
эксп
3. Найдите абсолютную и относительную ошибки опыта. Сделай-
те вывод о правильности измерений.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое внутреннее давление жидкости? Из-за чего оно возникает?
2. Что такое поверхностное натяжение?
3. Какое явление называется смачиванием? Чем оно обусловлено? Какие
случаи смачивания возможны?
4. Что называется краевым углом смачивания?
5. Какие поверхности называют гидрофильными, гидрофобными?
6. На какие технологические процессы влияет смачивание?
7. Какие методы определения поверхностного натяжения вы знаете?
8. В чем отличие статических методов от динамических?
9. В чем заключается метод Ребиндера?
10. Каким образом определяют величину константы прибора в методе Ре-
биндера?
11. Что такое молекулярный парахор? От каких параметров он зависит? С
какой целью вы рассчитываете его в лабораторной работе?
19
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Адсорбент
Адсорбат
Адсорбтив
АДСОРБЦИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА
«ТВЕРДОЕ ТЕЛО – РАСТВОР»
Целью работы является изучение процесса адсорбции уксусной
кислоты активированным углем и проверка применимости уравнения
Фрейндлиха к данному процессу.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Общие понятия и представления
В системах с сильно развитой поверхностью раздела фаз, т.е. в
гетерогенных коллоидных системах (золях, суспензиях и эмульсиях),
а также в системах, содержащих различные пористые тела, большую
роль играют процессы, происходящие на поверхности раздела фаз.
Одним из таких процессов является поглощение газообразных
или растворенных веществ твердыми или жидкими телами из окружающей среды.
Когда поглощаемое вещество не распространяется вглубь погло-
щающего тела, концентрируется, сгущается в пограничном слое у поверхности раздела фаз, процесс называется поверхностным поглощением или адсорбцией [3].
Таким образом, адсорбция это самопроизвольное увеличение
концентрации компонента на поверхности раздела фаз.
Поглощающее вещество называется адсорбентом, поглощаемое
адсорбтивом, уже поглощенное – адсорбатом (рис. 1).
Рис. 1. Схема адсорбционных процессов
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]