Цель работы
Исследовать влияние строения молекул ПАВ на их поверхностную активность.
Задачи работы
1. Определить зависимость поверхностного натяжения растворов ПАВ одного гомологического ряда от концентрации.
2. Построить изотермы поверхностного натяжения растворов: этанола, пропанола, бутанола.
3. Рассчитать коэффициент Траубе.
4. Определить размеры молекул ПАВ.
Приборы и материалы
· Приборы для измерения поверхностного натяжения.
· Конические колбы емкостью 50 мл - 15 штук.
· Растворы этилового, пропилового, бутилового спиртов.
· Пипетки на 5, 10 мл.
· Мерный цилиндр 10, 20 мл.
· Фильтровальная бумага.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ПОЯСНЕНИЕ
Границы раздела фаз характеризуются удельной энергией Гиббса поверхности. Удельной называют поверхностную энергию, приходящуюся на единицу поверхности фазовой границы. Эта величина численно равна поверхностному натяжению s. Поверхностное натяжение измеряют в Дж/м2 или Н/м. Способность веществ изменять при растворении поверхностное натяжение растворителя называют поверхностной активностью. Вещества, понижающие поверхностное натяжение жидкостей (ПАВ), имеют наибольшее практическое значение.
Для всех ПАВ характерно наличие в молекуле полярной и неполярной частей (дифильность), благодаря чему такие молекулы (или ионы) адсорбируются на границах раздела вода - воздух, вода - органическая жидкость, жидкость - твердое тело.
Количественно поверхностную активность выражают производной вида
G= -(ds/dC)C®0 (1)
Она численно равна понижению поверхностного натяжения раствора при изменении концентрации ПАВ на единицу. Символ «C®0» означает, что производная s по С должна быть взята в области бесконечно разбавленных растворов. При этом условии величина поверхностной активности максимальна.
Единицами измерения поверхностной активности являются Дж×м/моль и Н×м2/моль. Поверхностную активность обычно определяют графически по зависимости s=f(C), которую называют изотермой поверхностного натяжения (рис. 1). Для построения графика необходимы данные измерений s для растворов различной концентрации при постоянной температуре.
Рис.1. Изотермы поверхностного натяжения водных растворов трех гомологов с числом атомов углерода в молекуле n, n+1, n+2. Графическое определение поверхностной активности.
Поверхностная активность органических соединений зависит от размера и строения их углеводородного радикала. Отношение поверхностных активностей двух ближайших гомологов называют коэффициентом Траубе (b):
b=Gn+1/Gn (2)
Для каждой границы раздела величина b примерно постоянна в пределах ряда. Например, для системы вода-воздух b лежит в пределах 3-3,5, для системы вода - предельный углеводород b=4-4,2.
Для экспериментального определения величины b необходимо иметь изотермы поверхностью натяжения двух или трех гомологов. Расчет коэффициента b проводят различными способами: а) по формуле (2); б) по отношению равновесных концентраций низшего и высшего соседних членов ряда при одинаковом понижении поверхностного натяжения (Ds) в их растворах (3):
b=Cn/Cn+1 (3)
Расчет рекомендуется проводить для начального участка изотермы поверхностного натяжения в области разбавленных растворов, когда С®0 (рис. 1).
Максимальную поверхностную активность определяют как тангенс угла наклона касательной, проведенной к изотерме поверхностного натяжения через ее начальную точку s0.Тангенс угла a выражают отношением катетов ob/oa в соответственных масштабах:
G0=tga (4)
Поверхностная активность в данной точке изотермы равна отношению понижения поверхностного натяжения к той концентрации (СDs) ПАВ, которая его вызывает:
GDs=s0-sx/CDs=Ds/CDs (5)
При проведении расчетов важно, чтобы величина G всех исследуемых ПАВ была определена при одних и тех же условиях.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
Существует около 10 различных методов определения поверхностного натяжения. Наиболее простыми и достаточно точными являются методы наибольшего давления в пузырьке и счета капель (сталагмометрический).
СТАЛАГМОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Установка для измерения поверхностного натяжения сталагмометрическим методом представлена на рис. 2. Сталагмометр представляет собой стеклянную трубку с расширением 2 в средней части, заканчивающуюся толстостенным капилляром. Метки 1 и 3 обозначают объем вытекающей жидкости. К верхнему концу трубки присоединяют резиновый шланг с грушей 5 и зажимом 4. Сталагмометр укрепляют на штативе так, чтобы нижний срез капилляра располагался строго горизонтально.
Рис.2. Установка для измерения поверхностного натяжения по методу счета капель.
Исследуемую жидкость наливают в стакан, который поднимают так, чтобы конец капилляра погрузился в жидкость. С помощью груши набирают жидкость выше верхней метки 3, избегая образования пузырьков воздуха. Закрывают зажим. Опускают стакан на стол, открывают осторожно зажим, и жидкость начинает капать из капилляра. Когда уровень жидкости совпадает с верхней меткой 3, начинают счет капель. При совпадении уровня жидкости с нижней меткой 1, счет капель заканчивают.
Сущность сталагмометрического метода состоит в том, что при вытекании жидкости из капилляра на нижнем его конце образуется капля и в тот момент, когда вес Р висящей капли уравновешивается силой Р¢ поверхностного натяжения, капля отрывается. Таким образом, вес капли является силой, стремящейся оторвать висящую каплю, а поверхностное натяжение препятствует отрыву.
В состоянии равновесия силы Р и Р¢ равны и поверхностное натяжение выражается формулой
s=Кr/n,
где К – постоянная сталагмометра; r – плотность жидкости; n – число капель в данном объеме жидкости.
Постоянную сталагмометра К можно найти по эталонной жидкости с известным поверхностным натяжением, например по воде. Согласно выражениям:
К=s0n0/r0 и К=sxnx/rx
имеем:
s0n0/r0=sxnx/rx
Отсюда получаем формулу для поверхностного натяжения исследуемой жидкости:
sx=s0n0rx/nxr0,
где s0 и sх – поверхностное натяжение соответственно эталонной и исследуемой жидкостей; r0 и rх – плотности этих жидкостей; n0 и nx – число капель.
При работе с разбавленными растворами, плотность которых практически равна плотности чистого растворителя, расчет поверхностного натяжения ведут по формуле:
sx=s0n0/nx (6)
МЕТОД НАИБОЛЬШЕГО ДАВЛЕНИЯ В ПУЗЫРЬКЕ
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 Dp, которое согласно закону Лапласа определяется поверхностным натяжением и кривизной поверхности пузырька:
Dp=2s/rм
Dp=Drgh
rм – радиус кривизны мениска жидкости в капилляре; Dp – разность плотностей жидкости и газовой фазы; g – ускорение свободного падения.
Радиус кривизны rм изменяется по мере продавливания пузырька в жидкость из рисунка 3 видно, что в начальный момент пузырек имеет большой радиус кривизны и поверхность его почти плоская. Со временем радиус кривизны уменьшается, пузырек становится все более выпуклым и при rм=r избыточное давление внутри пузырька достигает максимального значения Dpmax. Это давление соответствует внешнему давлению в капилляре.
Рис. 3. Схема, иллюстрирующая формирование пузырька воздуха на выходе из капилляра.
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 натяжение рассматриваемым методом сводится к измерению внешнего давления, равного Dpmax. 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. Прибор состоит из стеклянного сосуда 1 с боковой трубкой 4, к которой припаян манометр 5. Верхнее отверстие сосуда 1 плотно закрывают пробкой 3, через которую проходит стеклянная трубка 2 с оттянутым капиллярным концом. Изогнутый конец трубки 4 пропускают через пробку, плотно закрывающую верхнее отверстие аспиратора 6.
Рис. 4. Прибор для измерения поверхностного натяжения по методу Ребиндера.
Исследуемую жидкость наливают в стеклянный сосуд 1 до уровня, при котором кончик капилляра 2 погружается в нее не более чем на 1 мм (избыток жидкости отбирают с помощью капилляра). Стеклянный сосуд соединяют с аспиратором и манометром. Все соединения должны быть герметичными. Аспиратор наполняют водой и плотно закрывают пробкой. Открывают кран аспиратора. В установке создается разряжение, в результате чего манометрическая жидкость поднимается в трубке.
Сформировавшийся на конце капилляра пузырек воздуха при достижении Dpmax, пробивая поверхностный слой, лопается. В этот момент давление в системе снижается и манометрическая жидкость начинает опускаться, но затем в результате образования нового пузырька она 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 сек. Время образования и отрыва пузырьков воздуха регулируют путем изменения скорости вытекания воды из аспиратора. Если показание манометра Dpmax в течение 2-3 мин. не изменяется, то его считают установившимся и записывают. Чтобы исключить трудоемкую операцию по измерению радиуса капилляра, для определения поверхностного натяжения используют относительный метод. Для этого находят константу ячейки R, которую рассчитывают по значениям максимального давления Dpст. и поверхностного натяжения sст. для стандартных жидкостей при данной температуре. Будем использовать в качестве стандартного раствора дистиллированную воду.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
Основные порталы (построено редакторами)