Работа 1. Определение поверхностного натяжения водных растворов ПАВ (спирта) различной концентрации

Кафедра производства строительных изделий и конструкций

Журнал для лабораторных работ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Тверь 2016

РАБОТА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПАВ (СПИРТА) РАЗЛИЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

Цель работы: Ознакомление с методами измерения поверхностного (межфазного) натяжения для растворов спирта на границе раствор - воздух; построение изотерм поверхностного натяжения и адсорбции для растворов спирта.

Состояние вещества в поверхностном слое и во внутренних слоях отличаются друг от друга. Возьмём для примера поверхность раздела жидкость – газ. Молекулы жидкости во внутренних слоях испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны соседних молекул. Находящиеся в поверхностном слое жидкости молекулы испытывают большее притяжение со стороны соседних молекул внутренних слоев жидкости, чем со стороны молекул газа. Поэтому свойства поверхностных слоёв вещества всегда несколько отличаются от свойств его внутренних частей. В той или иной степени особенности свойств поверхностных слоев проявляются на любой поверхности раздела между двумя фазами. В однокомпонентных системах они наблюдаются на поверхностях раздела жидкость – пар, твердое тело – пар, слабее на границе раздела твёрдое тело – жидкость и, наконец, еще слабее – на границе раздела между различными кристаллическими модификациями. В однокомпонентных системах эти особенности обусловлены в основном различной концентрацией вещества в различных фазах и в некоторых случаях более или менее закономерной ориентацией молекул в поверхностном слое. В системах же, содержащих более одного компонента различия свойств поверхностных слоев обусловлены и отличием состава поверхностных слоев по сравнению с составом внутренних частей фаз.

Указанные особенности существования молекул поверхностного слоя приводят к тому, что для увеличения поверхности требуется затратить работу. Величина этой работы, отнесенная к 1см² поверхности, получила название поверхностного натяжения(σ). Поверхностное натяжение можно представить и как энергию переноса молекул вещества из объёма фазы на поверхность.

Наиболее доступным для экспериментального измерения поверхностного натяжения являются системы жидкость – газ и жидкость – жидкость. Существующие методы дают возможность измерять σ при неподвижной межфазной поверхности (статические) и при движущейся поверхности раздела (динамические). Недостатком динамических методов является сложность их аппаратурного оформления. Кроме того, для надежного измерения поверхностного натяжения растворов, и, в частности, растворов ПАВ, необходимо их выдерживать определенное время для установления равновесия в поверхностном слое.

На практике наиболее часто 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.

Метод максимального давления в пузырьке основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр.

При медленном продавливании пузырька из капилляра в жидкость в нем возникает избыточное внутреннее давление Δp, которое согласно закону Лапласа определяется поверхностным натяжением σ_ж-г и кривизной поверхности пузырька. Радиус кривизны r_m изменяется по мере продавливания пузырька в жидкость. Из рис. 1 видно, что начальный момент пузырек имеет большой радиус кривизны и поверхность его почти плоская (r_m>>r). Со временем радиус кривизны уменьшается, пузырек становится все более выпуклым и при r_m=r избыточное давление внутри пузырька достигает максимального значения Δp_макс. Это давление соответствует внешнему давлению в капилляре. Для дальнейшего увеличения размера пузырька не требуется повышение внешнего давления, поскольку с ростом пузырька внутреннее давление в нем в соответствии с уравнением Лапласа уменьшается. В результате воздух, находящийся в трубке, устремляется к сформировавшемуся пузырьку и приводит к его отрыву от капилляра. Таким образом, определение поверхностного натяжения рассматриваемым методом сводится к измерению внешнего давления, равного Δp_макс.

Рис. 2. 1. Схема, иллюстрирующая формирование пузырька воздуха на выходе из капилляра

При определении поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке следует также учитывать гидростатическое давление слоя жидкости, находящейся над ним. Однако, если глубина погружения капилляра в жидкость незначительна и радиус r мал, поправкой на это давление можно пренебречь.

Максимальное давление в пузырьке в простейшем варианте можно измерить с помощью прибора Ребиндера (рис. 2). Прибор состоит из измерительной ячейки 4 с капилляром 3, аспиратора 1, с помощью которого создают внешнее давление, и микроманометра.

Измерение Δp_макс проводят следующим образом. Исследуемую жидкость наливают в ячейку 4 до уровня, при котором кончик капилляра 3 погружается в нее не более чем на 1 мм (избыток жидкости отбирают с помощью капилляра). Ячейку соединяют отводной трубкой 2 с аспиратором 1 и краном 5 микроманометра.

Рис. 2.2. Схема установки для определения поверхностного натяжения методом максимального давления: 1 – аспиратор 2 – соединительная трубка; 3 – капилляр; 4- ячейка; 5- трехходовой кран; 6 - регулятор уровня манометрической жидкости; 7 – кронштейн; 8 - манометрическая трубка

Манометр устанавливают в горизонтальном положении с помощью регулировочных ножек (установка производится по уровню микроманометра).

Вращая регулятор уровня 6 манометрической жидкости, устанавливают мениск в манометрической трубке против нулевой отметки. Кран 5 поворачивают по часовой стрелке, соединяя микроманометр с системой разрежения. Открывают кран аспиратора 1. В установке создается разрежение, в результате чего манометрическая жидкость поднимается в трубке 8.

Сформировавшийся на конце капилляра 3 пузырек воздуха при достижении Δp_макс, пробивая поверхностный слой, лопается. В этот момент давление в системе снижается, и манометрическая жидкость начинает опускаться, но затем в результате образования нового пузырька ока снова поднимается. Таким образом, уровень манометрической жидкости все время колеблется. Чтобы уменьшить пульсацию жидкости в измерительной трубке, добиваются равномерного проскока пузырьков, с интервалом 20-30 с. Время образования и отрыва пузырьков воздуха регулируют путем изменения скорости вытекания воды из аспиратора. Если показание манометра Δp_макс в течение 2-3 мин не изменяется, то его считают установившимся и записывают в журнал.

Чтобы исключить трудоемкую операцию по измерению радиуса капилляра, для определения поверхностного натяжения используют относительный метод. Для этого находят константу ячейки k, которую рассчитывают по значениям максимального давления Δp_ст и поверхностного натяжения σ_ст для стандартной жидкости:

k = σ_ст/Δp_ст (1)

Определив коэффициент k и измерив давление Δp_макс для исследуемых растворов, рассчитывают значение их поверхностного натяжения:

σ_ж-г =k Δp_макс (2)

Для проведения работы необходимо:

- Прибор для определения поверхностного напряжения.

- Термостат.

- Пипетки емкостью 1 и 10 мл.

- Исследуемая (раствор спирта) и стандартная (вода) жидкости.

Порядок выполнения работы:

Приготовить 50 мл исходного раствора спирта заданной концентрации С_исх. Из приготовленного исходного раствора спирта путем разбавления его приготовить по 20мл исследуемых растворов пяти различных концентраций в соответствии с таблицей 1.1(рабочие растворы). Исходную концентрацию и интервал изменения концентрации для рабочих растворов указывает преподаватель.

Тщательно промыть капилляр и измерительную ячейку.

Таблица 2.1 Исходные данные для получения исследуемых растворов

Измерить максимальное избыточное давление Δp_макс внутри пузырька для стандартной жидкости и исследуемых растворов. Измерения следует начинать со стандартной жидкости, затем измеряют Δp_макс для растворов начиная с минимальной концентрации. Перед измерениями проводят термостатирование всех жидкостей. Результаты измерений заносят в таблицу (табл 1.2).

По формуле(1) определить константу ячейки, поверхностное воды(стандартной жидкости) при данной температуре взять из справочника.

По данным измерений вычисляют поверхностное натяжение для каждого раствора по формуле (2) и величину адсорбции на поверхности раствор - воздух из растворов всех концентраций по уравнению Гиббса(3). По полученным данным строят изотерму поверхностного натяжения и изотерму адсорбции спирта из раствора на поверхности раствор- воздух.

Таблица 2.2. Экспериментальные данные для расчета поверхностного натяжения и адсорбции

Контрольные вопросы

1. Что такое поверхностное натяжение и в каких единицах оно измеряется? Каковы причины его возникновения?

2. Как зависит поверхностное натяжение от природы вещества образующего поверхность?

3. Как и почему зависит поверхностное натяжение от температуры? Что называется критической температурой кипения?

4. Какие методы используются для определения поверхностного натяжения жидкостей и твердых тел? На чем основано измерение поверхностного натяжения жидкостей методом наибольшего давления пузырька воздуха?

5. Что называется адсорбцией и как её количественно характеризуют? Напишите фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса и дайте определение избыточной адсорбции (Г).

6. Какие вещества называются поверхностно-активными каково строение их молекул?

РАБОТА 2. ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ИЗ РАСТВОРОВ НА ТВЕРДОМ АДСОРБЕНТЕ (АКТИВИРОВАННОМ УГЛЕ), РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ АДСОРБЕНТА ПО ИЗОТЕРМЕ АДСОРБЦИИ

Цель работы: определить поверхностное натяжение растворов спирта на границе с воздухом до введения и после введения угля в раствор; построить изотерму адсорбции спирта из водного раствора на поверхности активированного угля; по полученной изотерме адсорбции определить удельную поверхность угля.

Краткие теоретические положения. Адсорбция на границе твердое тело-раствор представляет собой изменение концентрации растворенного вещества (т. е. количества вещества в единице объема) в поверхностном слое по сравнению с его концентрацией в объеме жидкой фазы.

Этот вид адсорбции является самым сложным, так как с одной стороны необходимо учитывать взаимодействие между молекулами растворителя и растворенного вещества, а с другой стороны — сложное строение поверхности твердого адсорбента.

К числу наиболее распространенных пористых адсорбентов относят активированные угли, получаемые из каменного угля, дерева, животных костей, ореховых косточек и др. Адсорбирующее действие активированного угля обусловлено его большой удельной поверхностью, что позволяет использовать этот адсорбент для различных целей: извлечение из растворов посторонних веществ, поглощение газов, обесцвечивание жидкостей и т. д.

Равновесие в системе адсорбент(уголь) - водный раствор ПАВможет быть описано уравнением Ленгмюра

А= А_∞Кс/(1+Кс)

гдеА_∞- предельная мономолекулярная адсорбция- емкость монослоя;К-константа адсорбционного равновесия.

Для более точного определения величины предпочтительнее использовать уравнение Ленгмюра в линейной форме:

Поверхностно-активные вещества отличаются высокой адсорбционной способностью, и для них А≈Г.

Графически зависимость 1/А=f(1/c) выражается прямой, пересекающей ось ординат. Отрезок, отсекаемый от оси ординат, определяет величину, обратную емкости монослоя 1/А_∞.

Зная величину А_∞ определяют удельную поверхность адсорбента S_уд т.е. поверхность приходящуюся на единицу массы адсорбента:

S_уд = А_∞N_As_o

где N_{A –} число Авогадро; s_o – площадь занимаемая одной молекулой адсорбата в насыщенном адсорбционном слое.

Согласно исследованиям Ленгмюра и Гаркинса площадь, занимаемая одной молекулой большинства одноосновных жирных кислот и спиртов, составляет 0,2 – 0,3нм².

Изучение адсорбции поверхностнг-активного вещества(спирта) на активированном угле основано на определении концентрации раствора до контакта с адсорбентом и после наступления адсорбционного равновесия с. Величину адсорбции А для ПАВ рассчитывают, по заданной начальной концентрации раствора и по результатам измерения концентрации после наступления адсорбционного равновесия:

Г ≈ А = V(с₀ - с) /m,

где А — количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента, моль/г; V — объем раствора, из которого идет адсорбция, дм³; с₀- концентрация раствора до контакта с адсорбентом, моль/л; с- концентрация раствора после наступления адсорбционного равновесия, моль/л; m — масса адсорбента, г.

Методика определения поверхностного натяжения растворов спирта на границе с воздухом до введения и после введения угля в раствор изложена в работе №2. Полученные результаты заносят в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Экспериментальные и расчетные данные определения адсорбции ПАВ из раствора

№№ колб	С0, моль/л	∆р для исх. раств.	σ, мДж/м2	∆р после адс.	С, моль/л	σ1, мДж/м2	А, моль/м2

Определив адсорбцию из серии растворов ПАВ различной концентрации, строят график изотермы адсорбции в координатах «1/А-1/с». По этому графику определяют емкость монослоя и рассчитывают S_уд угля.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятиям: адсорбция, адсорбент, адсорбтив, адсорбат.

2. В чем заключаются особенности адсорбции на границе раздела фаз твердое тело–жидкость?

3. Каково соотношение между избыточной (Г) и абсолютной (А) адсорбциями? В каких случаях можно принять А≈Г?

4. Что такое удельная поверхность, какие способы определения ее вы знаете?