GRUPA NR: 22 ZESPÓŁ: 3	ĆWICZENIE NR: 2 Napięcie powierzchniowe	DATA WYKONANIA ĆWICZENIA: 19.05.2008 r.
ZESPÓŁ: 1. Katarzyna Góral 2. Joanna Grzywacz 3. Karolina Paśko 4. Kinga Poźniak			OCENA

1. Wstęp teoretyczny

Cząsteczki znajdujące się na powierzchni faz skondensowanych ,posiadają pewien nadmiar energii swobodnej w stosunku do cząsteczek znajdujących się we wnętrzu tych faz. Miarą tej energii jest powierzchniowa energia swobodna przypadająca na jednostkową powierzchnię ,zwana właściwą powierzchniową energią swobodną lub napięciem powierzchniowym fazy
:

Jednostką napięcia powierzchniowego jest [
] .

Działanie energii powierzchniowej możemy zaobserwować jako siłę dążącą do zmniejszenia powierzchni rozdzielającej fazy. Metody wyznaczania napięcia powierzchniowego są oparte na pomiarze tej siły. W ćwiczeniu zastosowano dwie metody pomiaru napięcia powierzchniowego: stalagmometryczną i pęcherzykową.

.

Metoda stalagmometryczna polega na pomiarze wielkości kropli badanej substancji odrywającej się od powierzchni przyrządu .

Metoda pęcherzykowa polega na pomiarze maksymalnego ciśnienia potrzebnego do wytworzenia pęcherzyka powietrza na końcu kapilary zanurzonej w badanej cieczy , w momencie jego uwolnienia.

W obu przypadkach celem doświadczenia jest zmierzenie statycznego napięcia powierzchniowego.

Napięcie powierzchniowe czystych cieczy zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, w temperaturze krytycznej osiągając wartość zerową, co opisuje równanie
:

V^2/3

Lub z wprowadzoną poprawką Ramsaya-Shieldsa:

V^2/3

gdzie V oznacza objętość molową , T_kr temperaturę krytyczna a k jest stałą dla wielu substancji przyjmującą wartość około 2.1 erg * mol^-3/2 * K^-1

Skład warstwy powierzchniowej jest odmienny od składu jegownętrza . W najczęściej spotykanym przypadku , gdy cząsteczki rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej przyciągają się słabiej od cząsteczek rozpuszczalnika między sobą , cząsteczki substancji rozpuszczonej są wypychane na zewnątrz fazy i warstwa powierzchniowa zawiera ich wiecej .

Różnica moli substancji rozpuszczonej w jednostkowej ilości moli rozpuszczalnika w próbce pobranej z wnętrza roztworu i jej powierzchni, podzielona przez wielkość tej powierzchni nazywa się nadmiarem powierzchniowym Gibbsa:

2. Metody pomiaru napięcia powierzchniowego:

* Metoda stalagmometryczna:

Ciecz wypływająca ze stalagmometru tworzy kroplę, która zwiększa się stopniowo i odrywa dopiero, gdy ciężar jej przezwycięży napięcie powierzchniowe.

G=

gdzie: V- objętość cieczy

- gęstość cieczy

g- przyspieszenie ziemskie

n- ilość kropli

G- ciężar kropli

Siła napięcia powierzchniowego wynosi:

F= 2 л r

gdzie r- promień kropli. W stanie równowagi:

F=G

Z tego wynika, że

2 л r
=

i na podstawie równania:

=

Obliczamy napięcie powierzchniowe po liczeniu ilości kropli. Objętości i gęstość są znane.

* Metoda pęcherzykowa:

Ta metoda polega na pomiarze ciśnienia niezbędnego do przerwania błonki powierzchniowej cieczy przez pęcherzyki powietrza. Wymagane do tego ciśnienie p na końcu kapilary równa się sumie ciśnieniu hydrostatycznemu i ciśnieniu kapilarnemu. Ciśnienie cieczy poniżej menisku jest mniejsze od ciśnienia atmosferycznego o około
, gdzie r jest promieniem rurki oraz ciśnienie wywierane przez słup cieczy wynosi:
, gdzie h_k jest wysokością kapilary zanurzonej w cieczy. Czyli manometr wskazuje ciśnienie:

P_m=
+

Czyli:

= P_m -

Porównując ciecz badaną do cieczy wzorcowej otrzymujemy:

=

=

3. Wyniki pomiarów i obliczenia:

Metoda stalagmometryczna

Jako substancje wzorcową użyliśmy wodę, której gęstość wynosi:
= 0,9998
. Z pomiaru dla wody otrzymaliśmy następujące wyniki:

Objętość wody w cylindrze [ml]]	Liczba kropel
7,8	111
7,8	111
7,8	113

n_średnie=111,7

Dla 10% roztworu izopropanolu:

Objętość wody w cylindrze [ml]]	Liczba kropel
7,8	185
7,8	175
7,8	175

n_średnie=178,3

Dla 5% roztworu izopropanolu:

Objętość wody w cylindrze [ml]]	Liczba kropel
7,8	163
7,8	165

n_średnie=164

V_w= V_x

₌

₌

₌

Dla roztworu 10% izopropanolu

Gęstość 10% izopropanolu w temp. 20°C wynosi 0,86[g/cm³]

Dla roztworu 5% izopropanolu

Gęstość 5% izopropanolu w temp. 20°C wynosi: 0,8 [g/cm³]

Metoda pęcherzykowa

Różnica poziomu cieczy w manometrze dla 10% roztworu izopropanolu w różnych temperaturach:

	Woda T = 23 st. C	i-propanol T = 23 st. C	i-propanol T = 33 st. C	i-propanol T = 43 st. C	i-propanol T = 53 st. C
1	286 mm H2O	220 mm H2O	216 mm H2O	208 mm H2O	202 mm H2O
2	291 mm H2O	223 mm H2O	215 mm H2O	212 mm H2O	207 mm H2O
3	296 mm H2O	223 mm H2O	216 mm H2O	213 mm H2O	206 mm H2O
Δhśr	291 mm H2O	222 mm H2O	215,67 mm H2O	211 mm H2O	205 mm H2O

Napięcie powierzchniowe σ badanego roztworu wyliczamy z równania:

Gdzie:

σ_w = 72,28⋅10^-3 N/m

d_w = 997,5 kg/m³

d = 860 kg/m³ -gęstość alkoholu

g = 9,81 m/s² -przyśpieszenie ziemskie

h_w=h = 5 mm = 0,005 m -zanurzenie kapilary w badanej cieczy

Δp_w = d_w⋅g⋅Δh_w -różnica ciśnień zmierzona manometrem w przypadku wody

Δp = d∙g∙Δh -różnica ciśnień zmierzona manometrem w przypadku i=propanolu

Δp_w = 997,5 ∙ 9,81 ∙ 0,291 = 2847,6 [N/m²]

Dla T = 23 st. C

Δp = 860 ∙ 9,81∙ 0,222 = 1872,9 [N/m²]

Dla T = 33 st. C

Δp = 860 ∙ 9,81∙ 0,21567 = 1819,5 [N/m²]

Dla T=43 st. C

Δp = 860 ∙ 9,81∙ 0,211 = 1780,12 [N/m²]

Dla T=53 st. C

Δp = 860 ∙ 9,81∙ 0,205 = 1729,503

4. Wnioski

Jak wynika z uzyskanych przez nas wyników napięcie powierzchniowe i-propanolu maleje wraz ze wzrostem temperatury. Na podstawie uzyskanych wyników można zauważyć, że dodatek alkoholu do wody obniża napięcie powierzchniowe, co świadczy o tym, że alkohol jest substancją powierzchniowo czynną. Błędy mogą być spowodowane niedokładnością odczytu ciśnienia z manometru oraz jego niedokładną kalibracją podczas powtórnego napełniania strzykawki powietrzem(metoda stalagmometryczna). Błędy mogą wynikać z rozkojarzenia osoby liczącej krople (metoda pęcherzykowa).

---