ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
Цель работы: измерение поверхностного натяжения двумя вариантами сталагмометрии: методом взвешивания капель и методом счета капель, оценка точности и воспроизводимости каждого из методов.
Общие теоретические положения
Поверхностное натяжение σ является важной характеристикой поверхности раздела фаз и поверхностных явлений. Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящейся на единицу межфазной поверхности и выражается в Дж/м2 или Н/м. Чем больше различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействии граничащих фаз, тем больше поверхностное натяжение. При температуре 20 °С поверхностное натяжение ртути составляет 485,0 мДж/м2, воды – 72,8 мДж/м2, этанола 22,0 мДж/м2, подсолнечного масла – 33,0 мДж/м2, сливок – 42,0 мДж/ м2, вина - 45...55 мДж/м2.
Рассмотрим энергетическое положение атома внутри тела и на его поверхности.
А.(внутри) Б.(на поверхности)
Fрез=0 Fрез≠0 и направлена внутрь тела
Втягивая поверхностные атомы внутрь, тело как бы стремится уменьшить свою поверхность. На поверхности возникает напряжение, вызванное наличием избыточной энергии из-за нескомпенсированности энергии поверхностных атомов. Избыточная поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности, получила название поверхностного натяжения (σ)
Физическая природа σ заключается в нескомпенсированности поля межмолекулярных сил на межфазных поверхностях.
|
|
Его можно также трактовать как силу, действующую тангенциально поверхности (вдоль нее) и препятствующую увеличению поверхности.
σ – можно также рассматривать как работу, затраченную на разрыв межатомных или межмолекулярных связей, т.е. это работа образования единицы поверхности. На σ влияют T, q, добавки ПАВ. [σ]=Дж/м2; Нм/м2=Н/м. В СГС: дин/см; 1 Н/м=1000 дин/см
Чем сильнее межмолекулярные связи в веществе, тем больше σ на его межфазной поверхности.
Отсюда: H2O → σ=0,0721 Дж/м2
C2H5OH → 0,0221
Hg → 0,473
Fe → 4,0
W → 6,8
Алмаз → 11,4 – макс. знач.
Поверхностное натяжение раствора σ почти всегда отличается от поверхностного натяжения растворителя σ0, так как растворенные вещества в зависимости от их природы могут концентрироваться на поверхности раствора или переходить в объем раствора. Вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение, называются поверхностно-активными (ПАВ). ПАВ относительно воды являются спирты, органические кислоты, амины и др.
Наиболее доступными для экспериментального измерения поверхностного натяжения являются системы жидкость-газ и жидкость-жидкость. Чаще используют статические или полустатические методы, позволяющие измерять равновесные значения поверхностного натяжения жидкостей. К статическим относятся методы капиллярного поднятия жидкости и висячей (лежащей) капли. Полустатическими являются методы максимального давления в капле (пузырьке), отрыва кольца или пластины и сталагмометрический метод. Наиболее часто для определения поверхностного натяжения применяют следующие методы: наибольшего давления, сталагмометрический, отрыва кольца и уравновешивания пластинки (метод Вильгельми).
|
|
Метод наибольшего давления основан на продавливании пузырька газа или воздуха под воздействием внешнего давления р через калиброванный капилляр радиусом r 0 (рис. 1.1. а). С увеличением давления пузырек растет, а радиус кривизны его поверхности R превышает радиус капилляра (положение 1:R>r0). Дальнейшее увеличение объема пузырька будет происходить до тех пор, пока внутреннее давление достигнет своего максимального значения; радиус кривизны при этом будет минимальный, т.е. R = r 0, (положение 2).
Рис.1.1. Методы определения поверхностного натяжения
а – наибольшего давления в пузырьке; б – сталагмометроический;
в – метод отрыва кольца; г – уравновешивание пластинки.
|
|
В этот момент пузырек потеряет устойчивость: при увеличении его объема он отрывается от капилляра. Если в момент отрыва пузырька измерить давление р, то поверхностное натяжение можно выразить следующим образом:
(1.1)
Для того чтобы не измерять радиус капилляра, можно определить р для жидкости, поверхностное натяжение которой известно. В качестве эталонной жидкости часто используют воду. Тогда вместо формулы (1.1) можно записать
(1.2)
В сталагмометрическом методе определяют вес капли, которая отрывается от капилляра (см. рис 1.1., б) под действием силы тяжести или в результате вылавливания микрошприцом. Приближенно считают, что при отрыве вес капли Рк, уравновешивается силой, равной поверхностному натяжению, умноженному на длину окружности капилляра радиусом r 0 т.е.
(1.3)
, (1.4)
где k - постоянная сталагмометра: m - масса одной капли.
При измерении поверхностного натяжения методом наибольшего давления и сталагмометрическим методом пузырек и капля формируются сравнительно быстро за время, недостаточное для образования адсорбционного слоя растворенных молекул ПАВ, особенно, если они имеют сравнительно большую молекулярную массу. В этих условиях не успевает установиться равновесное поверхностное натяжение. Для подобных растворов рекомендуется увеличивать время формирования пузырька или капли до тех пор, пока давление или число капель станут постоянными.
|
|
В варианте данного метода со счетом капель, если в качестве эталонной жидкости используют воду, расчет можно провести по формуле:
, (1.5)
где: − поверхностное натяжение воды при данной температуре (прил. 1);
− число капель исследуемой жидкости, истекших при прохождении исследуемой жидкости от верхней до нижней риски сталагмометра;
− число капель воды, истекших при прохождении исследуемой жидкости от верхней до нижней риски сталагмометра.
В методе отрыва кольца (см. рис. 1.1, в) измеряют силу F, которой противодействует поверхностное натяжение жидкости, смачивающей периметр поверхности кольца,
(1.6)
Коэффициент k является поправочным, он учитывает что поднимающийся при отрыве кольца столб жидкости не имеет формы правильного полого цилиндра.
В методе уравновешивания пластинки (или методе Вильгельми) определяют силу F, необходимую для извлечения из жидкости погруженной в нее тонкой пластинки шириной h (см. рис. 1.1, г),
(1.7)
Перечисленные выше методы определения поверхностного натяжения доступны, но имеют один общий недостаток − низкую точность измерений. Более точным является метод капиллярного поднятия в том случае, если капилляр хорошо смачивается водой, а его диаметр не изменяется по высоте, что в лабораторных условиях не всегда соблюдается. Причем, чем меньше радиус капилляров, тем точнее результаты измерений поверхностного натяжения.
В основе метода капиллярного поднятия лежит зависимость высоты поднятия жидкости h в узком капилляре от ее поверхностного натяжения. В соответствии с уравнением Лапласа избыточное давление связано с высотой h жидкости в капилляре соотношениями
, (1.8)
, (1.9)
где rm - радиус кривизны мениска жидкости в капилляре; ∆ - разность плотностей жидкости и газовой фазы; g - ускорение свободного падения.
Вводя так называемую капиллярную постоянную α,
(1. 10)
и учитывая угол смачивания θ жидкостью стенок капилляра радиусом r , из уравнений (1.9) и (1.10) получаем
(1.11)
Последнее соотношение известно как уравнение Жюрена. Таким образом, для определения поверхностного натяжения жидкостей этим методом экспериментально находят высоту поднятия h , радиус капилляра r и угол смачивания θ. Метод капиллярного поднятия является одним из наиболее точных (относительная погрешность менее 0,01 %).
ПРИБОРЫ И РЕАКТИВЫ:
Прибор для определения поверхностного натяжения (сталагмометр).
Термостат.
Аналитические весы.
Секундомер.
Пипетки емкостью 1 и 10 мл.
Мерный цилиндр объёмом 10 мл.
Химические стаканы объёмом 50 мл, 2 шт.
Исследуемая и стандартная (вода) жидкости.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:
Постоянную капилляра определяют по известному поверхностному натяжению дистиллированной воды при данной температуре (см. приложение1), и массе одной капли воды. Для определения константы вискозиметра необходимо заполнить сталагмометр дистиллированной водой (уровень выше верхней риски), представленный на рис. 1.2.
Рис.1.2. Схема лабораторной установки
1 − термостат; 2 – сталагмометр; 3 – мерный цилиндр; 4 – штатив.
Затем, произвести подсчет капель истекающей из сталагмометра жидкости в мерный цилиндр объемом 10 мл, заранее известной массы. Взвесить цилиндр с водой на аналитических весах. Определить массу стекшей воды и рассчитайте массу одной капли. Расчёт константы вискозиметра провести по формуле:
(1.12)
Для определения поверхностного натяжения исследуемых растворов методом взвешивания капель заполнить сталагмометр исследуемой жидкостью (уровень выше верхней риски). Произвести подсчет капель истекающей из сталагмометра жидкости в мерный цилиндр объемом 10 мл.
Результат измерения числа капель исследуемой жидкости записать в табл. 1.1.
Для расчета используйте формулы (1.3, 1.4).
Расчёт статистических данных произведите по формулам (1.13-1.15):
, (1.13)
e - доверительный интервал,
n – число измерений,
ta , n – коэффициент Стьюдента,
S – стандартное отклонение, вычисляемое по формуле:
(1.14)
Xi – значение измеряемого параметра системы,
- среднеарифметическое значение измеряемого параметра системы.
Относительная погрешность метода, определенная с надежностью α, равна:
Еотн= % (1.15)
Вновь заполните сталагмометр исследуемой жидкостью. Установите ту же температуру в термостате и повторите измерение количества капель сначала воды, затем исследуемого раствора. Расчет проведите по формуле (1.5). Результаты внесите в табл. 1.2. Сделайте вывод о точности и вопроизводимости обоих методов измерения поверхностного натяжения
Таблица 1.1.
Результат определения σ методом взвешивания капель
№ опыта | Постоянная сталагмометра k , Дж/(м2 кг) | Объем жидкости V, мл | Количество капель n, шт | Масса одной капли m, кг | Поверхностное натяжение σ, Дж/м2 | стандартное отклонение, S, Дж/м2 | Е, % |
Таблица 1.2.
Результат определения σ методом счета капель
Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 1043; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!