Метод наибольшего давления газа в пузырьке

Теоретическая часть

Поверхностно-активными называют вещества, с увеличением концентрации которых в растворе поверхностное натяжение на границе раздела фаз понижается. Поверхностно-активные вещества имеют дифильное строение. Молекулы ПАВ состоят из гидрофильной и гидрофобной (олеофильной) частей, что является характерной отличительной особенностью их строения.

Гидрофильная часть представлена полярными группами: - СООН; -NH₂; -ОН; -SO₃H; -NO₂ и др. Гидрофобную часть образуют углеводородные радикалы парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов. Дифильные молекулы поверхностно-активного вещества изображают символом , где кружок обозначает полярную группу, а черточка - углеводородный радикал.

Все дифильные ПАВ делят на истинно растворимые и коллоид-
ные. К первой группе относят растворимые в воде дифильные органические соединения с небольшим углеводородным радикалом, например, низшие спирты, фенолы, кислоты и их соли, амины. Эти вещества находятся в растворе в виде молекул или ионов. Они применяются в качестве смачивателей, вспенивателей, гидрофоби-
заторов при флотации, диспергаторов и т.д.

Вследствие дифильного строения молекулы ПАВ адсорбируются на границе раздела фаз «вода – воздух», ориентируясь при этом определенным образом. Гидрофильная часть молекул, обладающая сродством к полярным молекулам воды, взаимодействует с водой, а неполярная гидрофобная часть выталкивается в неполярную фазу (воздух).

Ко второй группе относят коллоидные ПАВ. Главной отличительной особенностью этих веществ является способность образовывать термодинамически устойчивые (лиофильные) гетерогенные дисперсные системы – мицеллярные коллоиды.

Изотермой адсорбции называется зависимость величины адсорбции от концентрации или парциального давления адсорбата в объёмной фазе при постоянной температуре. Изотерма адсорбции описывается аналитически многими уравнениями: Ленгмюра, Темкина, Фрейндлиха и другими, но термодинамически строго выведено лишь уравнение Гиббса:

(1)

где Г – гиббсовская адсорбция, моль/м²;

с – концентрация поверхностно-активного вещества, Кмоль/м³;

Т – абсолютная температура, К;

s- поверхностное натяжение, Дж/м²;

R – универсальная газовая постоянная (R=8,314 ).

Гиббсовской называется величина адсорбции, которая показывает не абсолютное количество адсорбата, а избыток его количества на поверхности по сравнению с объёмной фазой и отнесенное к единице площади:

, (2)

где n – избыток числа молей адсорбата на поверхности раздела фаз по сравнению с объёмной фазой, моль;

S – площадь раздела фаз, м².

В уравнении Гиббса (1) можно выделить величину g:

. (3)

Эту величину называют поверхностной активностью, если, как указано в формуле, концентрация стремится к нулю. Отношение ¶s/¶снепостоянно и зависит от концентрации растворенного вещества. Значение поверхностной активности графически может быть определено как тангенс угла наклона касательной к изотерме поверхностного натяжения в точке, которая соответствует поверхностному натяжению чистого растворителя, т. е. g = tga.

Если g>0, то вещество поверхностноактивно, Г>0 Þ адсорбция положительна; при g<0 вещество поверхностноинактивно, Г<0 Þ концентрация на поверхности раздела фаз будет уменьшаться по сравнению с объёмной фазой Þ происходит десорбция. Если Г=0, g=0 Þ вещество поверхностнонеактивно (индифферентно) и адсорбции нет.

Поверхностное натяжение – это энергия, которой обладает единица поверхности раздела фаз, или сила, действующая на единицу длины контура, ограничивающего поверхность тела, перпендикулярно контуру в плоскости раздела фаз, в сторону сокращения величины поверхности (рис. 1)

Сила F_e растягивает поверхность на 1 м², при этом совершается работа. Сила F_e численно равна величине поверхностного натяжения и совершённой работе.

Поверхностное натяжение жидкостей определяют несколькими экспериментальными методами:

1) сталагмометрическим;

2) отрыва кольца;

3) капиллярного поднятия;

4) наибольшего давления газа в пузырьке (применяемый в данной работе метод Ребиндера).

Вариант 1

Метод наибольшего давления газа в пузырьке

Большинство методов основаны на том, что в процессе эксперимента образуется новая поверхность и измеряется величина, пропорциональная энергии, затрачиваемой на это. В методе наибольшего давления газа в пузырьке измеряется избыток давления, при котором в поверхность жидкости выдувается воздушный пузырёк. Чем больше поверхностное натяжение, тем больше этот избыток давления:

, (4)

где k – постоянная прибора;

Dр – избыточное, по сравнению с атмосферным, давление, которое требуется, чтобы из вертикально расположенного капилляра выдуть воздушный пузырёк в исследуемую жидкость.

Постоянную сосуда k рассчитывают, используя стандартную жидкость (воду):

(5)

где s_в – поверхностное натяжение воды при температуре опыта;

р_в – избыточное давление газа в пузырьке, если испытуемая жидкость – вода.

Подставляя (5) в (4), получим расчетную формулу:

(6)

По этой же формуле вычислить величины поверхностных натяжений любых растворов (используемых в лабораторной работе) и построить зависимость s=f_T(c).

Построенную графическую зависимость использовать для расчета производных поверхностного натя-жения по концентрации – поверхностной активности g (формула (3).

Для этого необходимо сделать следующее:

1. Выбрать несколько точек на кривой (1, 2…5 и т.д.);

2. Провести к ним касательные таким образом:

а) плоское зеркало расположить перпендикулярно плоскости плоскости графика в выбранной точке и повернуть его до тех пор, пока кривая до точки не составит со своим отражением прямую линию.

б) используя зеркало как линейку, провести через эту точку линию (~ 1,5 ¸ 2,0 см).

в) построить к этой линии перпендикуляр (в данной точке) так, чтобы он пересекал ось ординат (отрезок АС) – это и есть касательная к кривой в точке (С).

г) из выбранной точки (С) построить отрезок (ВС) до пересечения с осью ординат, параллельный оси абсцисс. Получится прямоугольный треугольник.

3. Определить из прямоугольного треугольника

g = .

Аналогично изложенному выше определить поверхностные активности g при других концентрациях растворов (в других точках).

Подставить полученные данные в уравнение Гиббса (1) и при разных концентрациях рассчитать гиббсовскую адсорбцию Г. Построить изотерму адсорбции Г=f_T(c). На основании формы кривой сделать вывод о характере адсорбции: если вид зависимости Г=f_T(c) (см. рис. 3) аналогичен 1 - мономолекулярная адсорбция, 2 – полимолекулярная.

По графику рис. 3. определить Г_max, проведя касательную к горизонтальной части кривой, и по формуле (7) вычислить площадь, которую занимает молекула исследуемого поверхностно-активного вещества на поверхности:

(7)

Экспериментальная часть

Лабораторная установка (рис. 5) состоит из:

1. капиллярной трубки 1 с керном;

2. пробирки с муфтой (под керн) и отводом 2;

3. термостата;

4. наклонного манометра 4;

водяного аспиратора 5.

Пробирка 2 с капиллярной трубкой 1 помещена в термостат 3 (опыты по измерению поверхностного натяжения растворов проводятся при постоянной температуре!).

Газовое пространство пробирки 2 через отвод соединяется с наклонным манометром 4 и газовым пространством водяного аспиратора 5. Наклонный манометр 4 снабжён шкалой для измерения разности давлений при проскоке пузырька из капиллярной трубки 1 по сравнению с атмосферным давлением, а водяной аспиратор создает разрежение над испытуемым раствором и в манометре. Принцип действия аспиратора 5 заключается в увеличении объема газа, заключенного в приборе за счет вытекания воды из нижнего крана, что, согласно закону Бойля-Мариотта, приводит к снижению давлений данной постоянной массы газа.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: