Поверхностное натяжение жидкостей. Парахор (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

им. »

, ,

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ.

ПАРАХОР

Методические рекомендации к выполнению лабораторной работы

по курсу «Физическая химия» для студентов всех форм обучения

специальностей 260204

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического
университета им.

2010

УДК 541.133

Рецензент: доцент кафедры ТГВ ПАХТ БТИ АлтГТУ, к. т.н. .

Сакович, Г. Г.

Поверхностное натяжение жидкостей. Парахор: методические рекомендации к выполнению лабораторной работы по курсу «Физическая химия» для студентов всех форм обучения специальностей 260204 / , , ; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 26 с.

В методических рекомендациях рассмотрены основные теоретические понятия о взаимодействии между молекулами веществ, определения ориентационного, индукционного, дисперсионного взаимодействий. Отмечены факторы, влияющие на энергию этих взаимодействий. Приведены причины возникновения поверхностной энергии жидкостей на границе раздела жидкость–газ. Объяснено понятие – поверхностное натяжение жидкостей. Указаны термодинамические параметры, влияющие на его величину. Дано понятие парахора. Отмечена его связь со строением молекул органических веществ.

Рассмотрены некоторые методы определения плотности, поверхностного натяжения жидкостей, последовательность обработки результатов опытов.

Разработано в соответствии с Государственными образовательными стандартами ВПО для направлений подготовки. Методические рекомендации используются при выполнении лабораторной работы студентами специальностей 260204 на основе рабочих программ дисциплины «Физическая химия».

УДК 541.133

	Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры общей химии и экспертизы товаров. Протокол № 60-05/02 от 01.01.2001 г.
	© , , 2010
	© БТИ АлтГТУ, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………... 1.1 Межмолекулярные взаимодействия…………………………. 1.2 Поверхностное натяжение жидкостей………………………. 1.3 Методы определения поверхностного натяжения………….. 1.4 Парахор………………………………………………………... 1.5 Пример расчета парахора и его использование для определения строения молекулы вещества…………..…….. 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ……………………………….. 2.1 Определение плотности жидкости………………………….. 2.2 Определение поверхностного натяжения жидкости……….. 2.3 Проведение экспериментов и обработка опытных данных 2.4 Содержание отчета по работе……………………………….. 3 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ПРАВИЛА ПОВЕДЕНИЯ В ЛАБОРАТОРИИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ………………. 4 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ……………………………………… 5 ЗАДАЧИ…………………………………………………………….. ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………

4 4 6 9 12 14 15 15 16 18 22 23 24 24 25

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Межмолекулярные взаимодействия

Молекулы веществ находятся в сложном взаимодействии из-за действующих между ними сил притяжения и отталкивания.

Природа сил притяжения зависит от строения молекул и их электрических свойств. Энергия межмолекулярных взаимодействий определяется дипольными моментами, поляризуемостью и потенциалами ионизации молекул.

Открытие полярной структуры молекул привело к установлению возможности взаимного притяжения полярных молекул вследствие электростатического взаимодействия между частями двух молекул, несущими различные по знаку заряды. Теория взаимодействия полярных молекул была разработана Дебаем. Если центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, такая молекула называется полярной.

Взаимодействие между полярными молекулами называют ориентационным взаимодействием. Оно осуществляется при определенной ориентации молекул (рисунок 1).

- + - + - +

+ -

а) б)

Рисунок 1 – Ориентация полярных молекул

Энергия взаимодействия двух диполей определяется по формуле

где m1 и m2 – дипольные моменты (электрические моменты диполей) взаимодействующих молекул, Клм;

– расстояние между молекулами, м;

знак минус означает, что энергия при взаимодействии выделяется.

Притяжение между сильнополярными молекулами преобладает над отталкиванием, поскольку ориентация противоположных зарядов молекул, приводящая к притяжению между ними, отвечает более устойчивому состоянию равновесия.

Ориентационное взаимодействие зависит от температуры. С повышением температуры тепловое, хаотическое движение молекул существенно уменьшает возможность определенной ориентации молекул и это учитывает уравнение

где К – постоянная Больцмана ( К = R/NA), Дж/част..К.

У двухатомных молекул, построенных из одинаковых атомов, и у многоатомных молекул, обладающих высокой симметрией, центры тяжести разноименных электрических зарядов совпадают, такие молекулы называются неполярными. Неполярные молекулы ряда веществ могут сравнительно легко поляризоваться под действием соседних молекул или ионов, в особенности в моменты сближения между ними. Взаимодействие возникающих при этом диполей приводит к взаимному притяжению молекул. Такое взаимодействие называется индукционным. Энергия индукционного взаимодействия, согласно работам Дебая, не зависит от температуры и определяется по формуле

где a – поляризуемость неполярной молекулы;

m – дипольный момент полярной молекулы.

Согласно квантовой механики, из-за движения в атомах и молекулах электронов возникают мгновенные диполи, которые тоже вызывают взаимное притяжение молекул. Взаимодействие мгновенных диполей называют дисперсионным. Энергия дисперсионного взаимодействия не зависит от температуры и определяется из уравнения:

где I – величина, связанная с потенциалом ионизации молекулы;

a – поляризуемость молекулы.

Дисперсионное взаимодействие происходит между молекулами всех веществ, одинаковыми и различными, полярными и неполярными. Оно практически полностью определяет взаимное притяжение молекул в неполярных веществах.

Силы отталкивания, действующие между молекулами, вызваны взаимным отталкиванием электронов. Эти силы начинают действовать лишь при тесном сближении молекул. Энергия отталкивания определяется по формулам

ЕОТ = А е - r / r или ЕОТ = Вr -n ,

где А, r, В, n – опытные константы.

Сумма потенциальных энергий взаимодействия между молеку-лами

Е = ЕОР + ЕИ + ЕД + ЕОТ

называется энергией Ван-дер-Ваальса, или вандерваальсовыми силами. Проявляются эти силы на расстоянии от 3 до 5 (1 ангстрем () =
= 10 - 8 см), их порядок Е = 0,4…4,2 Дж/моль.

Межмолекулярные взаимодействия оказывают влияние на большинство физических характеристик жидкостей, в том числе и на их поверхностное натяжение.

1.2 Поверхностное натяжение жидкости

Жидкости, как и твердые тела, обладают большой объемной упругостью, то есть сопротивляются изменению своего объема, но, как и газы, не обладают упругостью формы. Жидкость, налитая в сосуд, заполняет его и принимает форму сосуда. Действие силы тяжести прижимает жидкость ко дну сосуда, а свободная поверхность жидкости устанавливается горизонтально. Над поверхностью жидкости находится насыщенный пар и газообразный воздух. Таким образом, объем жидкости оказывается ограниченным стенками сосуда и газа. При этом условия, в которых находятся молекулы жидкости на границе раздела, будут отличаться от условий внутри объема жидкости (рисунок 2).

На каждую молекулу, расположенную на глубине, окружающие молекулы действуют со всех сторон, поэтому равнодействующая всех сил, действующих на данную молекулу, с течением времени меняет свое направление хаотически. Под действием её молекула передвигается в жидкости.

На каждую молекулу, находящуюся на поверхности жидкости (на границе раздела жидкость–газ) действуют силы со стороны газа и
со стороны жидкости, причем силы, действующие со стороны жидкости, во много раз больше сил, действующих со стороны газа (см. рисунок 2).

молекула

на поверхности

жидкости

молекула

внутри

жидкости

жидкость

сосуд

Рисунок 2 – Силы, действующие на молекулу

Поэтому результирующая всех сил, действующих на каждую молекулу на поверхности жидкости, направлена внутрь её. Таким образом, силы, действующие в поверхностном слое жидкости, стремятся уменьшить её свободную поверхность (сделать поверхность минимальной). По этой причине малое количество жидкости – шарики. Шар – это наименьшая поверхность, ограничивающая объем, и следовательно, энергия поверхности жидкости при этом будет минимальной. При увеличении количества жидкости силы тяжести расплющивают каплю жидкости.

Из сказанного следует, что в поверхностном слое жидкости силы, действующие на молекулу, нескомпенсированы, и поверхность жидкости обладает свободной (поверхностной) энергией. Кроме этого, чтобы молекулу перенести из глубины жидкости в поверхностный слой, надо затратить работу против результирующей силы, направленной внутрь жидкости. То есть каждая молекула, лежащая в поверхностном слое жидкости, обладает некоторым избытком потенциальной энергии по сравнению c энергией молекул нижних слоев. Сумма избытков потенциальной энергии молекул на поверхности тоже входит в поверхностную энергию жидкости. Чем больше величина поверхности вещества, тем больше его поверхностная (свободная) энергия.

У различных веществ с одинаковой величиной поверхности будет различна величина поверхностной энергии. Это связано с тем, что
величина результирующей силы, действующей на молекулу в поверхностном слое, для разных жидкостей и твердых тел различна. Кроме того, она зависит от среды, с которой граничит вещество. Поэтому сравнивать поверхностную энергию различных веществ можно только в том случае, если эти вещества граничат с одной и той же средой и поверхностная энергия относится к единице поверхности вещества, например к 1 м2.

Количественной мерой поверхностной энергии вещества, граничащего с данной средой, является удельная поверхностная энергия – коэффициент поверхностного натяжения s.

Коэффициент поверхностного натяжения, или поверхностное натяжение, (в Дж/м2) – это работа, которую надо затратить, чтобы образовать 1 м2 поверхности вещества на данной границе раздела, то есть

или s = DG = DН - ТDS,

где А – работа, затраченная на образование поверхности вещества;

S – площадь поверхности жидкости, м2;

DG – изменение изобарного потенциала при увеличении единицы площади поверхности, Дж/м2;

DН – изменение энтальпии;

Т – абсолютная температура;

DS – изменение энтропии.

Так как

то по изменению поверхностного натяжения в зависимости от температуры можно вычислить DS при образовании единицы площади новой поверхности.

Поверхностное натяжение связывают с существованием внутреннего давления в веществе – силы, втягивающей молекулы внутрь жидкости и направленной перпендикулярно поверхности. Внутреннее давление тем выше, чем сильнее взаимодействие между молекулами, чем полярнее вещество, так как причиной его является действие межмолекулярных сил. Так внутреннее давление воды составляет 14800 атм, бензола – 3800 атм. Огромные значения внутреннего давления объясняют, почему жидкости малосжимаемы под действием внешних давлений, обычно применяемых на практике.

установил, что зависимость поверхностного натяжения от температуры – линейная

st = s0 (1 - а. t),

где а – температурный коэффициент поверхностного натяжения.

С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается и s ® 0 при критической температуре.

1.3 Методы определения поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение жидкостей может быть измерено различными методами. Рассмотрим некоторые из них.

1.3.1 Метод поднятия жидкости в капиллярах

В данном методе используются следующие явления.

При соприкосновении жидкости с твердым веществом возможны два случая:

а) силы взаимного притяжения между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и частицами твердого вещества. В этом случае жидкость не смачивает твердое вещество, и если в жидкость опустить капилляр из такого материала, поверхность жидкости в таком капилляре (мениск) имеет выпуклую форму (рисунок 3а);

б) силы взаимного притяжения между молекулами жидкости меньше, чем между молекулами жидкости и частицами твердого вещества. При этом жидкость смачивает твердое вещество, и мениск в капилляре из такого материала имеет вогнутую форму (рисунок 3б).

h

а) б)

Рисунок 3 – Формы мениска жидкостей

Стремясь к минимуму поверхности (к плоской поверхности), выпуклый мениск сжимает нижние слои жидкости, а вогнутый растягивает их. В жидкости возникает некоторое добавочное давление, зависящее от кривизны поверхности жидкости. Оно вычисляется по формуле Лапласа

где s – поверхностное натяжение жидкости;

R – радиус кривизны мениска.

Если мениск выпуклый, то добавочное давление добавляется к внутреннему давлению жидкости. Если мениск вогнутый, то это давление уменьшает внутреннее давление, то есть вычитается из него. Этим объясняются подъем жидкости в капилляре, опущенном в жидкость, которая смачивает стенки капилляра, и опускание жидкости в капилляре, когда она не смачивает его стенок.

Для определения поверхностного натяжения жидкости подбирается капилляр из материала, который смачивается исследуемой жидкостью. Под действием разности давлений, которая была рассмотрена выше, жидкость, смачивающая стенки капилляра, поднимается на высоту h (см. рисунок 3б). Гидростатическое давление столба жидкости при этом составляет величину

РГ = d. g.h

и равно давлению, вычисленному по уравнению Лапласа, т. е.

РГ = Р и (1)

где d – плотность жидкости, кг/м3;

g – ускорение силы земного притяжения (g = 9,81 м/с2);

h – высота подъема жидкости в капилляре.

Радиус кривизны мениска и радиус капилляра связаны соотношением

где r – радиус капилляра, м;

q – краевой угол смачивания, град.

Тогда соотношение (1) можно записать

(2)

При полном смачивании (q = 0 и cosq = 1) последнее выражение примет вид

(3)

Уравнения (2) и (3) используют для вычисления поверхностного натяжения методом подъема жидкости в капилляре.

1.3.2 Метод максимального давления в пузырьке газа
(метод продавливания пузырька)

Поверхностное натяжение определяют измерением наибольшего давления в газовых пузырьках, образующихся в жидкости. Для измерений используют капилляр, который погружают вертикально в жидкость так, чтобы его торец только касался поверхности жидкости. Капилляр соединяют с емкостью, заполненной газом. Давление газа измеряют манометром.

Если давление газа, подаваемого в капилляр, больше, чем давление над поверхностью жидкости, то на конце его образуется пузырек газа, который увеличивается до некоторого предела, определяемого поверхностным натяжением жидкости. Достигнув предельных размеров, пузырек отрывается от поверхности капилляра, и газ выходит
в пространство над жидкостью. В момент отрыва пузырька давление в нем имеет максимальную величину.

Избыточное (максимальное) давление в пузырьке газа определяется уравнением

где А – постоянная установки;

s – поверхностное натяжение жидкости;

r – радиус капилляра.

Обычно для устранения величин А и r определение поверхностного натяжения исследуемой жидкости проводят с использованием стандартной жидкости, поверхностное натяжение которой при заданной температуре известно. Для двух жидкостей с разными поверхностными натяжениями s и s0 при использовании одного и того же капилляра справедливо соотношение

Из записанного равенства поверхностное натяжение исследуемой жидкости вычисляется по формуле

где s0 и Р0 – поверхностное натяжение и максимальное давление в пузырьке газа стандартной жидкости;

Р – максимальное давление в пузырьке газа исследуемой жидкости.

Установки для измерения поверхностного натяжения методом наибольшего давления в пузырьке газа могут иметь различное конструктивное исполнение.

Существуют и другие методы определения поверхностного натяжения жидкостей. Например, метод отрыва рамки от поверхности жидкости, метод счета капель (или метод взвешивания).

1.4 Парахор

Между поверхностным натяжением, плотностями жидкости и пара, находящимися в равновесии при данной температуре, установлена зависимость

s = К (dЖ - dП) 4,

где dЖ и dП – плотности жидкости и насыщенного пара, г/см3;

К – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.

Приведенное уравнение можно представить в виде

= (dЖ - dП),