Учебно-методический комплекс дисциплины «Поверхностные явления и дисперсные систем»

Строят изотерму адсорбции в координатах Г=f(C). Рассчитывают в и Г аналогично первому способу. При поглощении растворенных веществ твердыми адсорбентами удельная адсорбция не может быть рассчитана по уравнению Гиббса, т.к. нет приемлемых методов измерения поверхностного натяжения на границе раздела твердое тело – жидкость. Количество адсорбированного вещества (адсорбата) определяют по изменению его концентрации в растворе. Зная исходные концентрации спирта С и равновесные концентрации С0 (определены графически) можно рассчитать величину адсорбции (х/m). Количество адсорбированного на угле спирта рассчитывается по формуле: (15) – удельная адсорбция, моль/г С1 – начальная концентрация спирта, моль/л С0 – равновесная концентрация спирта, моль/л V – объем раствора спирта, взятого для адсорбции, мл m – масса угля, г Результаты работы представить в виде таблицы 4: Таблица 4. № C C0 (x/m) Используя данные таблицы начертить на миллиметровой бумаге изотерму адсорбции спирта в координатах (х/m)=f(С0). В отчете должны быть приведены названия ПАВ; состав системы; температура опыта; способ измерения поверхностного натяжения; примеры расчетов: постоянной прибора, поверхностного натяжения, Г, Г, S0, , x/m; таблицы 2, 3, 5 или 1, 4, 5. К отчету прилагают графики =f(C), Г=f(C), 1/Г=f(1/C), x/m=f(C0), выполненные на миллиметровой бумаге. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ Что такое поверхностное натяжение, и в каких единицах оно измеряется? Как зависит поверхностное натяжение от природы вещества, образующего поверхность? На чем основано измерение поверхностного натяжения жидкостей методом наибольшего давления пузырька воздуха? Что называется адсорбцией, и как количественно ее характеризуют? Напишите фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса и его анализ. Что такое предельная адсорбция? Уравнение Ленгмюра. Как найти постоянные в уравнении Ленгмюра? Что такое поверхностная активность? Какие вещества называются поверхностно активными? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА УГЛЕ Цель работы Изучить адсорбцию уксусной кислоты на активированном угле статическим методом. Задачи работы Определить концентрацию уксусной кислоты до и после адсорбции. Рассчитать удельную адсорбцию ПАВ на угле. Построить изотерму адсорбции. Графически определить константы уравнения Фрейндлиха и проверить его применимость к адсорбции органических кислот из растворов на угле. Приборы и материалы Колбы конические емкостью 200 мл. – 12 шт. Стеклянные воронки – 6 шт. Пипетки вместимостью 10, 5, 2 мл. Бюретка для титрования – 25 мл. Технические весы. Аппарат для встряхивания растворов в колбах. Фарфоровая ступка. Активированный уголь БАУ. Раствор уксусной кислоты 0,4 моль/л. Раствор гидроксида натрия 0,1 и 0,02 моль/л. Раствор фенолфталеина спиртовой. Вода дистиллированная. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ПОЯСНЕНИЕ Адсорбцией называют концентрирование веществ на поверхности раздела фаз. Вещество, которое адсорбирует другое вещество, называют адсорбентом. Название адсорбируемого вещества зависит от его положения по отношению к адсорбенту. Если вещество находится в объеме и может адсорбироваться, то его называют адсорбтивом. Это же вещество в адсорбционном состоянии будет называться адсорбатом. Иными словами для обозначения положения адсорбируемого вещества используют термины адсорбтив (до адсорбции) и адсорбат (после адсорбции). Молекулы (атомы, ионы, радикалы) адсорбтива соприкасаются с поверхностью адсорбента и, вследствие нескомпенсированности молекулярного взаимодействия на границе фаз, молекулами адсорбента удерживаются на его поверхности. Поэтому концентрация молекул на поверхности становиться больше, чем в объеме соприкасающейся с ней жидкости или газа. Часть молекул с поверхности может перейти обратно в объем. Поверхностные атомы и молекулы любого тела заметно отличаются от атомов и молекул внутри фазы. На поверхности они энергетически ненасыщенны, поэтому поверхность любого тела обладает поверхностным натяжением и стремится уменьшить запас свободной энергии F. Попадая на поверхность твердого тела, частица оказывается связанной с граничными атомами, теряя, по крайней мере, одну степень свободы. Следовательно, процесс адсорбции сопровождается уменьшением энтропии, т.е. S<0. Поскольку H=F+TS, то и величина энтальпии H<0. Это означает, что любой адсорбционный процесс экзотермичен. Различают физическую адсорбцию, вызываемую в основном вандервaальсовыми силами, и хемосорбцию, сопровождающуюся химической реакцией. Поскольку поглощение вещества адсорбентом сопровождается выделением тепла, то в соответствии с принципом Ле-Шателье с повышением температуры количество адсорбированного вещества уменьшается. Процесс обратный адсорбции называют десорбцией. Адсорбционное равновесие характеризуется равенством скоростей адсорбции и десорбции. На процесс адсорбции влияют такие факторы, как природа поглотителя и поглощаемого вещества, состояние поверхности, температура, давление газа или концентрация раствора. Твердые адсорбенты - это природные и искусственные материалы с большой наружной или внутренней поверхностью, на которой происходит адсорбция из граничащих с ней газов или растворов Количество поглощенного вещества на единицу поверхности адсорбента называют удельной адсорбцией. Так как измерить поверхность адсорбента трудно, то на практике адсорбцию Г выражают в молях на единицу массы адсорбента (Г, моль/кг). Для описания процесса адсорбции, в частности мономолекулярной, помимо фундаментального уравнения адсорбции Гиббса применяют ряд других аналитических уравнений, которые называют по имени их авторов. При незначительном заполнении адсорбента адсорбатом отношение концентраций веществ в адсорбционном слое и в объеме стремится к постоянному значению, равному Кг. Эту закономерность можно выразить аналитически следующим образом, Г=Кг С (1) Г С Г∞ I II III Рис. 1. Изотерма адсорбции Уравнение (1) характеризует изотерму адсорбции при малых концентрациях адсорбтива (рис. 1, участок I) и является аналитическим выражением закона Генри. Коэффициент Кг не зависит от концентрации и представляет собой константу распределения, характеризующую распределение вещества в адсорбционном слое по отношению к его содержанию в объемной фазе. Полученное на основе закона Генри уравнение (1) и, соответствующая ему линейная зависимость адсорбции от концентрации на начальном участке изотермы адсорбции (участке I), соблюдается лишь приближенно, но это приближение бывает достаточным для практики. В более общем виде зависимость адсорбции от концентрации адсорбтива можно определить при помощи уравнения Фрейндлиха (2): Г=x/m=kС1/n, (2) где x - количество адсорбированного вещества, моль; m - масса адсорбента, кг; k и n - коэффициенты. Это уравнение было получено на основе результатов обработки опытных данных по адсорбции ПАВ при концентрации адсорбтива, равной единице, когда С=1, k=Г. Постоянная k зависит от природы адсорбента и адсорбата и колеблется в широких пределах. Ее физический смысл состоит в том, что она дает величину адсорбции при равновесной концентрации, равной единице. Коэффициент n характеризует отличие участка изотермы адсорбции (рис. 1, участок II.) от прямой. Значение адсорбционного показателя 1/n лежит в пределах 0,1–1 и зависит от температуры и природы адсорбата. Коэффициенты уравнения Фрейндлиха не трудно определить графически. Для этого логарифмируют уравнение (2), преобразуя его в уравнение прямой (3). lg(x/m)= lgk+(1/n)lgC (3) Определив экспериментально ряд значений x/m, строят график в координатах lg(x/m) – lgC (рис. 2). lg Г lg C lg k α tgα=1/n Рис. 2. Графическое определение коэффициентов k и n уравнения Фрейндлиха. Отрезок прямой, отсекаемый на оси ординат, представляет собой величину lgk, а тангенс угла наклона прямой – величину 1/n. Изотерма адсорбции, которая соответствует аналитическому выражению уравнения Фрейндлиха (3) не определяет предельного значения адсорбции (участок 3, на рис. 1). Аналитическое выражение адсорбции в зависимости от концентрации адсорбтива в виде изотермы адсорбции дано в теории Ленгмюра. В основу теории положены кинетические представления о процессе адсорбции, определяющие скорости адсорбции и десорбции в условиях равновесия. Физическая адсорбция протекает практически мгновенно (10-12–10-6 с) продолжительность процесса хемосорбции значительно больше (>102 c). Ленгмюр предложил молекулярно–кинетический вывод изотермы адсорбции для случая локализованной адсорбции на однородной поверхности в отсутствии сил притяжения между молекулами адсорбата (уравнение 4): (4) где Г – удельная адсорбция, (моль/м2); Г – предельная адсорбция, т. е. величина адсорбции при мономолекулярном заполнении поверхности, (моль/м2); в – константа равновесия, равная отношению констант скоростей процессов адсорбции и десорбции, С – равновесная концентрация адсорбируемого вещества в растворе Проведем анализ уравнения Ленгмюра (4) и сопоставим его с уравнениями Генри (1) и Фрейндлиха (2). В начале процесса адсорбции, когда С0 и 1>>вС, в соответствии с уравнением (4) Г= ГвС. Произведение Г=ГвС –величина постоянная, что соответствует коэффициенту Кг в законе Генри, т. е. участку 1 изотермы адсорбции (рис. 1). Уравнение Фрейндлиха справедливо лишь для средней части изотермы адсорбции (участок 2). При С, вС>>1 из уравнения (4) следует, что Г=Г, это соответствует участку 3 изотермы адсорбции. Таким образом, уравнение Ленгмюра определяет все участки изотермы мономолекулярной адсорбции, в том числе и предельную адсорбцию. При расчетах по уравнению Фрейндлиха значение и размерность удельной адсорбции зависят от способа выражения равновесной концентрации. Для таких ПАВ, как органические кислоты, концентрацию в растворе обычно выражают в единицах молярности или молярной концентрации эквивалента (моль/л). У одноосновных кислот значения указанных концентраций совпадают, поэтому результат расчета не зависит от подстановки той или другой из этих величин. Для многоосновных кислот при переходе от одного способа выражения концентрации к другому необходимо вводить соответствующий коэффициент. Для определения количества адсорбированной кислоты х необходимо знать ее содержание в объеме раствора, взятого для адсорбции (моль), которое находят по формуле: а=C0V, (5) где C0 – исходная концентрация кислоты (до адсорбции), моль/л; V – объем раствора, взятый для адсорбции, л. а также содержание кислоты в объеме раствора после адсорбции: в=CравнV, (6) где Cравн – концентрация кислоты после адсорбции, моль/л. Концентрации кислот (моль/л) до и после адсорбции обычно вычисляют по данным титрования: Ск=VщCщ/Vк, (7) где Ск – концентрация кислоты, моль/л; Сщ – концентрация щелочи, моль/л; Vщ – объем щелочи, пошедший на титрование, мл; Vк – объем раствора кислоты, взятый для титрования, мл. Количество адсорбированной кислоты х=ав, (моль) (8) Разделив х на массу угля m (кг), находят удельную адсорбцию для каждого раствора кислоты Г, моль/л Г=х/m (9) На основе результатов опыта и расчетов строят график изотермы адсорбции x/m =f(Сравн). Для определения констант уравнения Фрейндлиха k и 1/n находят значения логарифмов x/m и С равн и строят график линейной формы изотермы в координатах lgx/m – lgCравн. При проведении адсорбции на твердом адсорбенте определяют начальные и равновесные концентрации адсорбата в растворе. Выбор аналитического метода зависит от природы ПАВ. Для органических кислот, как правило, применяют титрование раствором щелочи в присутствии фенолфталеина. При наличии таких приборов, как потенциометры, кондуктометры, интерферометры, индикаторное титрование может быть заменено соответствующим физико-химическим методом анализа. Эти методы требуют построения кривых титрования или градуировочного графика по растворам известной концентрации, после чего определяют искомые концентрации путем прямых измерений. Кондуктометрия и потенциометрия применимы только для анализа ионогенных ПАВ, например кислот, оснований, солей. С помощью жидкостного интерферометра можно определять концентрации растворов ПАВ любой природы. При изучении адсорбции уксусной кислоты можно не применять физико–химические методы, так как эта кислота титруется с достаточно большим скачком рН и определение конечной точки титрования не вызывает затруднений. Для установления области применимости уравнения Фрейндлиха к данному виду адсорбции, подставляют найденные константы 1/n и lgk в линейную форму уравнения изотермы (уравнение 3) и вычисляют величину lg(x/m) для 5–6 значений равновесных концентраций кислоты. Последние берут из имеющегося графика (x/m)=f(C) в широком интервале концентраций. Наносят полученные расчетом величины lg(x/m) на график lg(x/m)=f(lgC). Для области, где найденные точки дают линейную зависимость, уравнение Фрейндлиха применимо. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Из исходного раствора 0,4 моль/л уксусной кислоты (СН3СООН) готовят последовательным разбавлением вдвое 6 растворов по 50 мл каждого: 50 мл 0,4 моль/л СН3СООН 50 мл 0,4 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,2 моль/л СН3СООН 50 мл 0,2 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,1 моль/л СН3СООН 50 мл 0,1 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,05 моль/л СН3СООН 50 мл 0,05 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,025 моль/л СН3СООН 50 мл 0,025 моль/л СН3СООН + 50 мл Н2Одист – получили 0,0125 моль/л СН3СООН Объемы растворов воды и кислоты отмеряют с помощью цилиндров. Из шести пронумерованных колб отбирают по 20 мл раствора каждой концентрации в другие пронумерованные колбы, соответствующего номера. В оставшиеся растворы (по 30 мл в каждой колбе) внести по 1 г (0,001 кг), предварительно растертого в ступке, активированного угля. Поставить для встряхивания на 15-20 мин до установления адсорбционного равновесия. Отобранные растворы (20 мл) используют для определения точной концентрации приготовленной уксусной кислоты. Точную концентрацию растворов уксусной кислоты устанавливают титрованием 0,1 моль/л раствором гидроксида натрия (NaOH) с фенолфталеином. Для этого в колбу для титрования отбирают по 5 мл пробы кислоты, вносят 1-2 капли фенолфталеина и титруют раствором щелочи. Титруют до появления устойчивой бледно-розовой окраски раствора, 2 или 3 раза. Концентрацию кислоты рассчитывают по формуле (7). По истечении заданного времени адсорбции (более 30 мин), суспензию угля каждой колбы отфильтровывают через фильтры. Первые порции фильтратов (10-15 мл) отбрасывают, так как в них концентрация кислоты может быть понижена за счет адсорбции фильтровальной бумагой. Концентрацию равновесного раствора кислоты (Сравн) в фильтратах определяют так же, как и Сх по формуле (7). ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ эксперимента Результаты измерений Таблица 1. АДСОРБЕНТ АДСОРБАТ ДО АДСОРБЦИИ ПОСЛЕ АДСОРБЦИИ №раств Vк, мл Vщ, мл Cщ, моль/л Со. моль/л V’к, мл V’щ, мл Cщ, моль/л Cравн, моль/л 1 5 0,1 5 0,1 2 5 0,1 5 0,1 3 5 0,1 5 0,1 4 5 0,1 5 0,1 5 5 0,1 5 0,1 6 5 0,1 5 0,1 Со – расчетная концентрация кислоты до адсорбции, моль/л (считать по уравнению 7). Сщ – концентрация титрующей щелочи, моль/л. Сравн – расчетная концентрация кислоты после адсорбции, моль/л (считать по уравнению 7). Vк – объем кислоты для титрования, мл. Vщ – средний объем щелочи, пошедший на титрование, мл. V’к – объем фильтрата кислоты для титрования, мл. V’щ – средний объем щелочи, пошедшей на титрование, мл. Результаты расчетов Таблица 2. № Со, моль/л Сравн, моль/л a, моль в, моль x, моль (x/m)экс, моль/кг lg(x/m)экс lgCравн lg(x/m)теор lgCтеор (ур-е 7) (ур-е 7) (ур-е 5) (ур-е 6) (ур-е 8) (ур-е 9) 1 2 3 4 5 6 Используя данные таблицы 2 начертить на миллиметровой бумаге изотерму адсорбции уксусной кислоты в координатах (x/m)экс=f(Cравн) и lg(x/m)экс=f(lgCравн). По графику lg(x/m)экс=f(lgCравн) определяют значение lgk, k, tg=1/n. При расчете tg катеты треугольника выражают в тех величинах, которые отложены на осях координат, т.е. lg(x/m) и lg(Cравн). Графически определенные константы lgk и 1/n подставляют в уравнение 3. Для проверки применимости уравнения 3 к адсорбции органических кислот из растворов на угле строят график lg(x/m)теор=f(lgCтеор). Для его построения на графике lg(x/m)экс=f(lgCравн) выбирают несколько значений концентраций вне области исследования (т.е. по обе стороны от экспериментального графика). Выбранные значения lgCтеор подставляют в уравнение 3 и рассчитывают lg(x/m)теор. Строят график lg(x/m)теор=f(lgCтеор) и делают вывод о концентрационных пределах применимости уравнения Фрейндлиха к адсорбции уксусной кислоты на угле. В отчете должны быть приведены названия ПАВ, температура опыта, примеры расчетов концентрации растворов ПАВ до и после адсорбции, удельной адсорбции х/m, коэффициентов уравнения Фрейндлиха k и n, таблицы 1 и 2. К отчету прилагают графики x/m=f(C), lg(x/m)эксп=f(lgCравн), lg(x/m)теор=f(lgCтеор). ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ Что такое адсорбция, адсорбент, адсорбат (адсорбтив)? Что такое изотерма адсорбции? Какова природа сил, обуславливающих адсорбцию? Виды адсорбции, привести примеры. Как изменяется адсорбция в зависимости от концентрации разбавленных растворов в соответствии с законом Генри? В каких случаях справедливо уравнение Фрейндлиха и как графически определить коэффициенты этого уравнения? Проанализируйте уравнение Ленгмюра для различных концентраций адсорбтива. Как рассчитать адсорбцию из раствора на твердом адсорбенте? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Измерение поверхностного натяжения и исследование поверхностной активности в гомологическом ряду Цель работы Исследовать влияние строения молекул ПАВ на их поверхностную активность. Задачи работы Определить зависимость поверхностного натяжения растворов ПАВ одного гомологического ряда от концентрации. Построить изотермы поверхностного натяжения растворов: этанола, пропанола, бутанола. Рассчитать коэффициент Траубе. 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 . 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= -(d/dC)C0 (1) Она численно равна понижению поверхностного натяжения раствора при изменении концентрации ПАВ на единицу. Символ «C0» означает, что производная  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 =f(C), которую называют изотермой поверхностного натяжения (рис. 1). Для построения графика необходимы данные измерений  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 (): =Gn+1/Gn (2) Для каждой границы раздела величина  примерно постоянна в пределах ряда. Например, для системы водавоздух  лежит в пределах 33,5, для системы вода предельный углеводород =44,2. Для экспериментального определения величины  необходимо иметь изотермы поверхностью натяжения двух или трех гомологов. Расчет коэффициента  проводят различными способами: а) по формуле (2); б) по отношению равновесных концентраций низшего и высшего соседних членов ряда при одинаковом понижении поверхностного натяжения () в их растворах (3): =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 0.Тангенс угла  выражают отношением катетов ob/oa в соответственных масштабах: G0=tg (4) Поверхностная активность в данной точке изотермы равна отношению понижения поверхностного натяжения к той концентрации (С) ПАВ, которая его вызывает: G=0x/C=/C (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 =К/n, где К – постоянная сталагмометра;  – 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=0n0/0 и К=xnx/x имеем: 0n0/0=xnx/x Отсюда получаем формулу для поверхностного натяжения исследуемой жидкости: x=0n0x/nx0, где 0 и х – поверхностное натяжение соответственно эталонной и исследуемой жидкостей; 0 и х – 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: x=0n0/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 p, которое согласно закону Лапласа определяется поверхностным натяжением и кривизной поверхности пузырька: p=2/rм p=gh rм – радиус кривизны мениска жидкости в капилляре; p – 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 pmax. 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 pmax. 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 pmax, 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 pmax 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 pст. и поверхностного натяжения ст. для стандартных жидкостей при данной температуре. Будем использовать в качестве стандартного раствора дистиллированную воду. (7) Определив коэффициент R и измерив давление pmax. для исследуемой жидкости X, рассчитывают значения (8) Обобщенная формула выглядит так: (9) , – поверхностное натяжение исследуемого раствора и чистой воды, при данной температуре; , – показание манометра pmax для исследуемого раствора и воды. Метод отрыва кольца В методе отрыва кольца измеряют силу F, которой противодействует поверхностное натяжение жидкости, смачивающей периметр поверхности кольца: F=4rк/k; =(F/4rк)k. Коэффициент k является поправочным, он учитывает, что поднимающийся при отрыве кольца столб жидкости не имеет формы правильного полого цилиндра. Метод уравновешивания пластинки (или метод Вильгельми) В методе уравновешивания пластинки определяют силу F, необходимую для извлечения из жидкости погруженную в нее тонкую пластинку шириной h: F=2h; =F/(2h). Метод капиллярного поднятия Особыми свойствами обладает капиллярно-пористые тела, твердая дисперсионная среда которых пронизана порами капиллярных размеров. Если капилляры заполнены газом, то эти тела образуют систему Г/Т, а если жидкостью – Ж/Т. Иногда жидкостью заполняется только часть пор, т.е. образуются системы типа Г,Ж/Т. К капиллярно пористым телам относятся древесина, ткани, бумага, кирпич, войлок, фетр и др. В зависимости от содержания влаги их можно рассматривать как дисперсные системы типа Г/Т, Ж/Т или Г,Ж/Т. Одним из характерных поверхностных свойств капиллярно-пористых тел является подъем жидкости в порах. Капиллярный подъем самопроизвольный процесс, который связан с механическим перемещением жидкости относительно стенок капилляра. В капилляре за счет смачивания образуется вогнутый мениск. На такой искривленной поверхности с радиусом кривизны r поверхностное натяжение ЖГ вызывает капиллярное давление ∆p. Давление кривизны поверхности можно представить в виде: ∆p=(2 ЖГ/r)cos, где  - краевой угол смачивания. Капиллярное давление уравновешивается весом PН столба жидкости высотой h, т.е. ∆p=PН. С учетом веса столба жидкости можно записать: (2ЖГ/r)cos=(-0)gh, где , 0 – плотность жидкости и газа (воздуха). В связи с тем, что >0, плотностью газа можно пренебречь; тогда высоту подъема жидкости в капилляре определяют при помощи формулы: h=2ЖГcos/(rg). При полном смачивании, когда =0 и cos=1, формула приобретает вид: h=2ЖГ/(rg). Капиллярный подъем жидкости имеет место в процессе пропитки и увлажнения структурированных капиллярно-пористых тел, он определяет влагосодержание почвы, питание растений. На несмачивающейся поверхности, когда >90о, образуется выпуклый мениск, а капиллярное давление направлено в глубь жидкости, что обусловливает всасывание жидкости в капилляр. В основе метода капиллярного поднятия лежит зависимость высоты поднятия жидкости h в узком капилляре от ее поверхностного натяжения. В соответствии с уравнением Лапласа избыточное давление связано с высотой h жидкости в капилляре соотношениями: p=2/rм и p=ρgh rм – радиус кривизны мениска жидкости в капилляре; ρ – разность плотностей жидкости и газовой фазы; g – ускорение свободного падения. Вводя так называемую капиллярную постоянную а: а2=2/(ρg)=rмh и учитывая угол смачивания θ жидкостью стенок капилляра радиусом r получаем: =ρgrh/(2cosθ)=a2ρg/(2cosθ). Это соотношение известно как уравнение Жюрена. Таким образом, для определения поверхностного натяжения жидкостей этим методом экспериментально находят высоту поднятия h, радиус капилляра и угол смачивания θ. Перечисленные выше методы определения поверхностного натяжения доступны, но имеют один общий недостаток – низкую точность измерений. Более точным является метод капиллярного поднятия (относительная погрешность менее 0,01 %) в том случае, если капилляр хорошо смачивается водой, а его диаметр не изменяется по высоте, что в лабораторных условиях не всегда соблюдается. Причем чем меньше радиус капилляров, тем точнее результаты измерений поверхностного натяжения. Кроме перечисленных доступных и широко используемых методов определения поверхностного натяжения существует и другие методы: сидячей капли, вращающейся капли и др. Измерение поверхностной активности и адсорбции ПАВ позволяет определить параметры адсорбционных слоев: площадь, занимаемую одной молекулой, S0 и толщину поверхностного слоя . Величины S0 и  рассчитывают по экспериментально найденным значениям предельной адсорбции Г. Предельную адсорбцию Г определяют по изотермам адсорбции Г=f(C), для построения которых вычисляют несколько значений d/dC. Площадь S0, приходящуюся на одну молекулу в насыщенном адсорбционном слое, вычисляют по уравнению: S0=1/NГ (10) Толщину адсорбционных слоев (длину молекулы ПАВ) рассчитывают по формуле: =ГМ/, (11) где NА- постоянная Авогадро, NА=6,021023 моль-1; М- молярная масса ПАВ, кг/моль; - плотность ПАВ, кг/м3. Значения М и  для некоторых веществ приведены в таблице 1 (см. приложение). Сопоставление вычисленных значений толщины слоя  с длиной ориентированных молекул дает возможность оценить тип поверхностной пленки, определить ориентацию молекул ПАВ в адсорбционном слое. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Из исходных растворов готовят по 5-6 разведений разных концентраций для каждого ПАВ путем последовательного разбавления вдвое, по 30 мл каждого раствора. Устанавливают постоянную Ребиндера или сталагмометра по воде. Измерения повторяют 3-5 раз. Измеряют поверхностное натяжение приготовленных растворов ПАВ методом наибольшего давления в пузырьке или счета капель. Сначала проводят всю серию измерений для низшего гомолога, затем, тщательно промыв сосуд и сталагмометр, для более высшего гомолога. Такой порядок позволяет избежать погрешности измерений за счет возможного остатка более поверхностно-активного гомолога. Измерения повторяют 3-5 раз. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА Данные о концентрациях исследуемых растворов, а также результаты измерений и расчетов для каждого ПАВ заносят в таблицы 2 и 3. Таблица 2.

Похожие:

	Учебно-методический комплекс дисциплины «Теория систем и системный анализ» Учебно-методический комплекс дисциплины включает следующие документы и материалы		Учебно-методический комплекс дисциплины «Монтаж и наладка систем электроснабжения» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
	Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 09 Общая биология... Целью изучения дисциплины является ознакомление студентов с основными отличиями органического мира от неживой природы, с уникальностью...		Учебно-методический комплекс дисциплины «Теория экономических информационных систем» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
	Исследование систем управления учебно-методический комплекс по направлению:... Исследование систем управления: Учебно-методический комплекс / Авт. Сост. Е. В. Козлова – спб.: Ивэсэп, 2005		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физиология высшей нервной... Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,...
	Учебно-методический комплекс дисциплины Теория самоорганизации биологических систем Разработчики Учебно-методический комплекс дисциплины Теория самоорганизации биологических систем		Учебно-методический комплекс дисциплины красноярск 2012 пояснительная... Учебно-методический комплекс дисциплины (умкд) «Психодиагностика» для студентов заочной формы обучения (3,5 года обучения) по специальности...
	«Учебно-методический комплекс дисциплины «Информационное обеспечение систем управления»		Учебно-методический комплекс дисциплины специальность 100110. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины (умкд) «Информационная культура» состоит из следующих элементов
	Учебно-методический комплекс дисциплины ...		Учебно-методический комплекс дисциплины специальность: 050706. 65 «Педагогика и психология» Настоящий учебно-методический комплекс дисциплины (умкд) «Психолого-педагогическая коррекция» для студентов 5-го заочного отделения...
	Учебно-методический комплекс по специальности: 080507- менеджмент... Исследование систем управления: Учебно-методический комплекс / Авт сост. Т. М. Дерендяева – кфспб.: Ивэсэп, 2010		Учебно-методический комплекс дисциплины специальность : 040101. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины (умкд) «Информатика» для студентов очной формы обучения по специальности 040101. 65 социальная...
	Учебно-методический комплекс дисциплины проектирование информационных... Основная цель изучения курса “Исследование систем управления” приобретение знаний, формирование и развитие умений и навыков исследовательской...		Учебно-методический комплекс дисциплины по выбору направление 050700. 62 «Педагогика» Настоящий учебно-методический комплекс дисциплины по выбору (умкд) «Психолого-педагогическая коррекция» для студентов 4-го курса...