Определение поверхностного натяжения методом максимального давления в газовом пузырьке

Размещено на http://allbest.ru

Отчёт по лабораторной работе

Определение поверхностного натяжения методом максимального давления в газовом пузырьке

Цель работы:

1) Определить поверхностное натяжение изобутилового спирта методом максимального давления в газовом пузырьке.

2) Вычислить величину поверхностного натяжения после добавления к двум концентрированным растворам адсорбента.

3) Построить графическую зависимость поверхностного натяжения от концентрации раствора.

4) Вычислить величины адсорбции Г. Построить зависимость адсорбции от концентрации Г= g(C).

1. Теоретическая часть

Поверхностное натяжение - это энергия необходимая для создания единицы поверхности жидкости. Она определяется как сила, действующая на единицу длинны линии ограничивающую поверхность. Оно возникает при стремлении поверхности жидкости уменьшить свою площадь. Это стремление обусловлено действием некомпенсированных сил на молекулы поверхностного слоя жидкости, направленных вглубь объема жидкости перпендикулярно поверхности. В глубине объема жидкости суммарная сила, действующая на молекулы, равна нулю. Размерность поверхностного натяжения выражается в Н/м и в Дж/м².

Поверхностное натяжение характеризуется энергией Гиббса. Она зависит от размера самой поверхности и от поверхностного натяжения

(1.1)

где П - поверхность жидкости. Изменение энергии Гиббса может происходить только за счет изменения поверхности, вместе с которой меняется поверхностное натяжение.

При добавлении к растворителю растворенного вещества может меняться поверхностное натяжение жидкости. Растворенное вещество будет определенным образом перераспределяться между поверхностью и объемом. В результате концентрация растворенного вещества может увеличиваться или уменьшаться по сравнению с объемом.

Адсорбция - это увеличение концентрации растворенного вещества на поверхности раздела двух фаз. Обратный процесс называется десорбцией.

Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объемной фазы вещество - адсорбатом.

Способность адсорбента поглощать адсорбат характеризуется величиной адсорбции Г, которая определяется как избыток массы адсорбата в пограничном слое над его массой в равном объеме окружающей среды, приходящейся на единицу поверхности адсорбента. Измеряется в молях на квадратный метр.

Зависимость между величиной адсорбции и изменением поверхностного натяжения установлена Гиббсом. Уравнение Гиббса имеет вид

(1.2)

где у - поверхностное натяжение, - химический потенциал адсорбата.

При малых концентрациях или давлении адсорбирующегося вещества можно записать иначе

, (1.3)

где - концентрация при равновесии растворенного или газообразного вещества в среде, из которой происходит адсорбция.

Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно активными. С повышением их концентрации поверхностное натяжение падает. Адсорбция в такой ситуации положительна. Вещества, которые повышают поверхностное натяжение, называются поверхностно инактивными.

2. Экспериментальная часть работы

Методика исследования.

Метод максимального давления в газовом пузырьке для измерения поверхностного натяжения жидкости заключается в следующем. Вертикальная трубка, оканчивающаяся капилляром, опускается до касания с поверхностью жидкости. Через трубку пропускается инертный газ (сухой воздух) При соприкосновении нижнего среза капилляра с поверхностью жидкости начнет образовываться пузырек газа. В тот момент, когда достигается максимальное давление P, пузырек срывается с капилляра, преодолевая поверхностное натяжение у на границе жидкость - газ. В этом случае поверхностное натяжение рассчитывается по формуле:

(2.1)

где r - внутренний радиус капилляра. Для того что бы вычислить у необходимо знать радиус капилляра r. Его можно рассчитать, воспользовавшись жидкостью с известным поверхностным натяжением. В данной работе в качестве стандартной жидкости применим воду. Поверхностное натяжение воды при температуре 25 ^о С найдем по таблице 1.

Таблица 1

По таблице видно, что она равна у = 71,97 мДж/.

Из уравнения

(2.2)

выразим и рассчитаем r.

Поверхностное натяжение исследуемого раствора связано с максимальным давлением уравнением

 (2.3)

Опыт проводиться с одним и тем же капилляром, следовательно, для расчета можно воспользоваться соотношением

(2.4)

полученным делением одного уравнения на другое.

Далее, в работе необходимо проследить, как измениться поверхностное натяжение раствора при добавлении адсорбента и построить зависимость Г= f(C) графическим методом. В данной работе в качестве адсорбирующего вещества используем уголь. Для этого к кривой у =f(C) в разных точках проведем касательные и продолжим до пересечения с осью ординат. Через точки, в которых построены касательные, проведем прямые параллельно оси абсцисс так же до пересечения их с осью ординат. Измерим отрезки L оси ординат между касательной и проведенной через эту точку горизонтальной прямой. Значение адсорбции вычислим по следующей формуле:

(2.5)

Так подсчитываются величины Г для тех концентраций, для которых в соответствующих точках построены касательные.

Схема установки.

На рисунке 1 изображена схема установки. Измерительная трубка 1 с капилляром укрепляется в штативе 2 подъемного механизма и соединяется резиновой трубкой с компрессором 4 (в данной работе вместо газгольдера использован компрессор). Воздух, поступающий из компрессора, через колонку осушителя 5 проникает в капилляр. Капиллярная трубка опускается до соприкосновения с поверхностью жидкости, налитой в стакан 8. Момент начала образования пузырька соответствует увеличению давления P. Изменение давления регистрируется при помощи манометра 7. Кранами 3 и 6 регулируется расход воздуха. Это нужно для того что бы время образования одного пузырька составляло не менее 30 с.

поверхностный натяжение спирт

Рис. 1. Схема установки для определения поверхностного натяжения методом максимального давления в газовом пузырьке.

3. Расчеты

Для начала, определим максимальное давление P₁ для воды. Для повышения точности, измерение проведем 3 раза. Получим:

Рассчитаем среднее значение

Далее, зная поверхностное натяжение воды и максимальные давления исследуемых растворов , вычислим поверхностные натяжения по формуле 2.4. Результаты занесем в таблицу 2.

Таблица 2

Пример расчета:

Построим график зависимости поверхностного натяжения от концентрации раствора изобутилового спирта (Рис.2.)

Рис. 2. График зависимости поверхностного натяжения от концентрации у =f(C).

Видим, что поверхностное натяжение с увеличением концентрации уменьшается.

Добавим адсорбент в растворы с концентрациями 0,2 и 0,1 М. Заметим, что в обоих случаях максимальные давления уменьшелись. Поверхностные натяжения стали равными и 71,69 мДж/ при введении угля в растворы концентрациями C = 0,2 М и 0,1М соответственно. Их концентрации стали равными С = 0,071М и С = 0,016 М соответственно.

Построим изотерму адсорбции графическим методом (Рис.3) Для этого выберем экспериментально полученные точки на изотерме поверхностного натяжения у =f(C). Разность между точкой отсечения на оси ординат b и значением у будет величиной L. Адсорбцию вычислим по формуле (2.5)

Результаты занесем в таблицу 3

Пример расчета:

Построим изотерму адсорбции Г=g(C) (Рис.4).

С увеличение концентрации раствора изобутилового спирта наблюдается увеличение адсорбции, в то время как поверхностное натяжение уменьшается. Это говорит о том, что растворенное вещество поверхностно активно.

Вывод

В данной работе было исследовано поверхностное натяжение изобутилового спирта при различных концентрациях при температуре T = 289K. На основании полученных данных построена изотерма поверхностного натяжения у =f(C). Величина поверхностного натяжения спирта уменьшилась при увеличении его концентрации. Добавленный уголь в концентрированные растворы 0,2 и 0,1 М адсорбировал на своей поверхности часть молекул растворов. Их концентрации стали равными С = 0,071М и С = 0,016 М соответственно. На основании изотермы поверхностного натяжения построена изотерма адсорбции Г=g(C) графическим методом. Обе функциональные зависимости Г=g(C) и у =f(C) качественно показывают уменьшение поверхностного натяжения и увеличение адсорбции с ростом концентрации поверхностно активного вещества.

Размещено на Allbest.ru