Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ВИЗНАЧЕННЯ ПОВЕРХНЕВОЇ АКТИВНОСТІ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2006
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Хімія
Група:
МЕ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4А
З курсу „Основи природознавства”
ВИЗНАЧЕННЯ ПОВЕРХНЕВОЇ АКТИВНОСТІ
ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН.
Львів – 2006
Мета роботи: на основі залежності поверхневого натягу від концентрації водних розчинів поверхнево-активних речовин визначити їх поверхневу активність.
Теоретична частина
В гетерогенних, або багатофазних, системах на границі між двома фазами (рідкою і газоподібною) виникає перехідний (поверхневий) шар, стан речовини в якому є особливим. Молекули поверхневого шару перебувають під дією внутрішнього тиску – сили, напрямленої перпендикулярно до поверхні рідини, в середину рідкої фази. Внутрішній тиск намагається зменшити площу міжфазної поверхні.
Молекули поверхневого шару мають надлишковий запас потенціальної енергії, яку називають поверхневою енергією Гіббса G.
Поверхнева енергія, віднесена до одиниці площі міжфазної поверхні, отримала назву поверхневого натягу:
σ = G/S
де S – площа міжфазної поверхні, м2 ;
σ – поверхневий натяг, вимірюється в Дж/м2 або в Н/м, (Дж= Н•м).
Існує енергетичне та силове визначення поверхневого натягу:
σ (Дж/м2) – це робота, яка виконується системою при оборотному ізотермічному процесі по створенню одиниці площі міжфазної поверхні;
σ (Н/м) – це сила, віднесена до одиниці довжини контура поверхні, направлена паралельно до міжфазної поверхні, яка намагається зменшити площу розділу фаз.
Поверхневий натяг зумовлений дією сил міжмолекулярних зв’язків. Чим сильніші міжмолекулярні зв’язки, тим більший є поверхневий натяг. З появою водневих зв’язків і з збільшенням полярності молекул поверхневий натяг зростає.
Для визначення поверхневого натягу на границі рідина – газ застосовують різні методи вимірювання: метод відриву кільця, капілярного підняття, максимального тиску бульбашки (метод Ребіндера), рахунку або зважування крапель (сталагмометричний метод).
В ізобарно-ізотермічних умов самовільно відбуваються процеси, в яких поверхнева енергія зменшується (dG < 0). За умови, що S=const
dG= Sdσ
поверхнева енергія може зменшуватись за рахунок зменшення поверхневого натягу.
Одним з процесів, що приводять до зменшення поверхневого натягу, є адсорбація.
Адсорбція – самовільний процес зміни концентрації речовини на межі поділу фаз.
Всі речовини за їх впливом на поверхневий натяг можна розділити на поверхнево-інактивні (ПІР) та поверхнево-активні (ПАР).
Речовини, які підвищують поверхневий натяг, називають поверхнево-інактивними. У гетерогенній системі водний розчин – повітря поверхнево-інактивними є всі неорганічні електроліти (кислоти, луги, солі) та сильно полярні органічні речовини, такі як гліцерин, глюкоза, сахароза.
Речовини, які здатні адсорбуватись на поверхні поділу фаз та зменшувати поверхневий натяг, називаються поверхнево-активними. Прикладом ПАР для водних розчинів є жирні кислоти та їх солі – мила, сульфокислоти, амінокислоти, спирти.
За своєю природою молекули ПАР є дифільними, тобто містять одночасно полярну групу (-OH, -COOH, -SO3H, -NH2 тощо) і неполярний вуглеводний радикал. Полярна група є гідрофільною – водорозчинною, а вуглеводний радикал є гідрофобним – водонерозчинним. Потрапляючи у воду, дифільні молекули ПАР концентруються на поверхні, орієнтуючись полярними групами до води, а неполярними радикалами – до повітря. При низьких концентраціях поверхнево-активної речовини вуглеводний радикал молекули ПАР „лежить” на поверхні води. При високих концентраціях ПАР на міжфазній поверхні утворюється насичений адсорбційний шар, в якому молекули ПАР орієнтуються паралельно одна одній і перпендикулярно до поверхні води.
Рис. 1. Схема будови дифільної молекули ПАР (кільце показує полярну групу, а рисочка – неполярний радикал).
Повітря Повітря
Водний розчин Водний розчин
а) в)
Рис. 2. Схема орієнтації молекул ПАР: а) в ненасиченому адсорбційному шарі; в) в насиченому адсорбційному шарі.
В процесі адсорбції ПАР поверхневий натяг розчину зменшується, оскільки поверхневий натяг органічних сполук є меншим, ніж води. Насиченому стану поверхні, при якому вона повністю заповнена молекулами ПАР, відповідає мінімальне значення поверхневого натягу.
Залежність поверхневого натягу водного розчину ПАР від концентрації поверхнево-активної речовини встановив у 1908 році Б. Шишковський:
Δσ=σ0 – σ=А ln(Kּc + 1), (3)
де Δσ – зменшення поверхневого натягу; σ0, σ – поверхневий натяг чистої види та розчину; с – концентрація розчину; А і К – емпіричні константи.
Для кількісного визначення адсорбції ПАР на границі розділу рідина – повітря найчастіше користуються величиною Г, введеною Гіббсоном.
Як фізична величина, адсорбція (Г) – це відношення надлишку речовини в поверхневому шарі (ni) до площі поверхні поділу фаз (S)
Г= ―, моль/м2 (4)
Кількісне співвідношення між величиною адсорбції та зміною поверхневого натягу при зростанні концентрації розчиненої речовини виражається рівнянням Гіббса:
Г= - –––– ּ ––––, (5)
де с – рівноважна концентрація речовини в розчині, моль/м3;
Т – температура, К;
R – універсальна газова стала, R=8,314 Дж/мольּК.
Величину g = - –– (при с → 0) називають поверхневою активністю.
Поверхнева активність кількісно характеризує здатність речовини адсорбуватися на поверхні поділу фаз, вона відображає вплив природи ПАР на величину адсорбції.
Аналіз рівняння Гіббса показує, що поверхнева активність g та адсорбція Г, додатні тоді, коли з зростанням концентрації речовини поверхневий натяг зменшується,
тобто похідна –– <0, що характерно для ПАР. Якщо при утворенні розчину –– >0, то
адсорбція від’ємна. Розчинена речовина виштовхується з поверхні розчину і, тому, поверхневий натяг практично дорівнює поверхневому натягу чистого розчинника. Це явище характерне для поверхнево-інактивних речовин.
Рис. 3. Залежність поверхневого натягу від рівноважної концентрації поверхнево-інактивної речовини (1) та поверхнево-активних речовин (2,3). Крива (3) відповідає гомологу з більшим вуглеводним ланцюгом.
Поверхнева активність є важливою адсорбційною характеристикою речовин, вона визначає їх властивості і області застосування. Поверхнева активність залежить від будови молекули ПАР: зменшується із зростанням полярності молекул і зростає із зростанням довжини вуглеводневого ланцюга.
Згідно правилу Дюкло-Траубе у межах гомологічного ряду органічних речовин поверхнева активність зростає у 3-3,5 рази при збільшенні вуглеводневого радикалу на одну –СН2- групу.
Експериментальна частина
Для дослідження залежності поверхневої активності від будови молекули ПАР використовують розчини ізо-пропілового спирту та н-бутилового спирту.
Послідовність виконання роботи
За завданням викладача приготувати по 5 розчинів ізо-пропілового та н-бутилового спирту, послідовно зменшуючи концентрацію вихідних розчинів у 2 рази.
Визначити поверхневий натяг розчинів методом „відриву кільця”. За допомогою торсійної ваги необхідно виміряти зусилля відриву кільця від поверхні чистої води F0 та від поверхні розчинів, які досліджують, F. Вимірювання починають проводити з найбільш розбавлених розчинів. Розраховують поверхневий натяг за формулою:
σ = кּF, Дж/м2, (6)
де к = –––; σ0 = 72,75 ּ 10-3 Дж/м2 – поверхневий натяг води при 200С.
Побудувати ізотерми поверхневого натягу σ=f(c) (рис. 4).
Провести дотичні до кривих σ=f(c) при с→0 і визначити поверхневу активність за тангенсом кута нахилу: g1 = -tgα = σ0/c1, g2 = -tgβ = σ0/c2; (7)
Перевірити застосування правила Дюкло-Траубе:
g1/g2 = 3 – 3,5 (8)
Рис. 4. ізотерми поверхневого натягу ПАР.
Результати вимірювань та розрахунки навести у таблиці 1. У протокол досліду включити графіки залежностей σ=f(c).
Таблиця 1
Результати вимірювань поверхневої активності ПАР.
Речовина
С, моль/м3
F, мг
σּ103, Дж/м2
G, Джּм/моль
н-бутиловий спирт
СН3-СН2-СН2-СН2ОН
ізо-пропіловий спирт
СН3-СН(ОН)-СН3
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора