Kosmetologia I˚ 1 rok Gr. 15PR	WYZNACZANIE NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO CIECZY METODĄ STALAGMOMETRYCZNĄ Ćwiczenie 3.	22.10.09r.
			Joanna Głąb Magdalena Ładniak Małgorzata Małka

1. Wstęp teoretyczny

Napięcie powierzchniowe jest rezultatem oddziaływań międzycząsteczkowych.

Każda cząsteczka znajdująca się wewnątrz fazy ciekłej jest równomiernie otoczona przez inne cząsteczki i ma wysycone siły wzajemnego przyciągania. Siły te są we wszystkich kierunkach przeciętnie jednakowe, a ich wypadkowa jest równa zeru.

Natomiast cząsteczki położone na powierzchni fazowej, ciecz - gaz, są poddane oddziaływaniom obu ośrodków. Siła wypadkowa, skierowana prostopadle do powierzchni fazowej, dąży do wciągania cząsteczek w głąb cieczy i nosi nazwę ciśnienia powierzchniowego, natomiast siła styczna do powierzchni jest miarą napięcia powierzchniowego.

Działanie tych sił wywołuje dążność układu do zmniejszania powierzchni fazowej.

Rysunek 1: Schemat rozkładu sił wzajemnego oddziaływania między cząsteczkami znajdującymi się na powierzchni i w głębi cieczy

Siła styczna do powierzchni (dążąca do jej zmniejszenia) lub praca potrzebna do zwiększenia powierzchni fazowej o jednostkę jest miarą napięcia powierzchniowego.

Napięcie powierzchniowe liczone jest w jednostkach pracy na powierzchnię (J/m2) lub siły na jednostkę długości (N/m).

Napięcie powierzchniowe:

> Def. Siłowa - Siła styczna do powierzchni (dążąca do jej zmniejszenia) lub praca potrzebna do zwiększenia powierzchni fazowej o jednostkę jest miarą napięcia powierzchniowego

> Def. Energetyczna - energia potrzebna na powiększenie powierzchni fazy ciekłej względem powietrza o 1cm2 (właściwa energia powierzchniowa)

Napięcie powierzchniowe zależy od temperatury. Ze wzrostem temperatury maleje, aby osiągnąć zero w temperaturze krytycznej.

Rodzaj menisku zależy od relacji pomiędzy siłami spójności i przylegania.

1. Jeżeli siły przylegania są większe od sił spójności to tworzy się menisk wklęsły, a ciecz nazywamy cieczą zwilżającą (np. woda w naczyniu szklanym)

2. Jeżeli siły przylegania są mniejsze od sił spójności to tworzy się menisk wypukły, a ciecz nazywamy cieczą nawilżającą (np. rtęć w naczyniu szklanym)

Zjawisko włoskowatości:

Różnica wysokości cieczy w naczyniu włoskowatym jest wprost proporcjonalna do napięcia powierzchniowego cieczy i odwrotnie proporcjonalna do promienia przekroju naczynia i ciężaru właściwego cieczy.

Jest wiele sposobów wyznaczania napięcia powierzchniowego. Do najczęściej stosowanych należy: metoda rurek kapilarnych, metoda stalagmometryczna, metoda pęcherzykowa i metoda tensometryczna.

Metoda rurek kapilarnych

Jeżeli w cieczy umieścimy pionowo rurkę kapilarną otwartą z obu stron, tak, aby wystawała ona nad powierzchnię cieczy to zależnie od tego czy, czy ciecz zwilża materiał kapilary czy też nie zwilża go, utworzy się w rurce menisk wklęsły lub wypukły. Który z tych przypadków będzie miał miejsce, zależeć będzie od energii adhezji -przylegania cieczy do ściany kapilary

i energii kohezji - spójności cieczy.

Jeżeli energia adhezji jest wyższa od kohezji, ciecz w kapilarze tworzy menisk wklęsły i słup cieczy zostaje przesunięty na taką wysokość, przy której zostanie osiągnięta równowaga mechaniczna układu.

Warunkiem mechanicznej równowagi jest, by ciśnienie panujące na tym samym poziomie w rurce kapilarnej i w cieczy na zewnątrz jej, były sobie równe.

W przypadku cieczy zwilżającej kapilarę ciśnienie w kapilarze( panujące na poziomie cieczy naczyniu) jest mniejsze niż na zewnątrz kapilary (p2 < p1).

Metoda tensometryczna

Metoda tensometryczna oparta jest na pomiarze dynamometrycznym siły, jakiej należy użyć by oderwać od powierzchni cieczy pierścień zrobiony z cienkiego drutu platynowego. Pierścień ten przytrzymywany jest siłą napięcia powierzchniowego, działającego na jego zewnętrznym obwodzie.

Naszym zadaniem było wyznaczenie napięcia powierzchniowego przy pomocy stalagmometru. Polega ona na wyznaczaniu masy kropli odrywającej się od specjalnie ukształtowanego końca grubościennej kapilary (stopki stalagmometru) lub, co na jedno

wychodzi, wyznaczeniu liczby kropel, tworzących się przy wypływie z tej rurki określonej

objętości cieczy o znanej gęstości.

Przy uproszczonym opisie zjawiska można przyjąć, że kropla odrywa się od końca rurki kapilarnej, gdy jej ciężar stanie się równy co do wielkości iloczynowi napięcia powierzchniowego (działającego na obwodzie kapilary) i długości okręgu:

Krople są tym większe (a więc tym mniej ich powstaje z określonej objętości V), im większe jest napięcie powierzchniowe.

Rysunek 2: Stalagmometr

2. Przebieg ćwiczenia

Materiały i przyrządy:

• stalagmometr

• ciecz wzorcowa: 50% gliceryna

• ciecz badana: roztwór detergentu w 50% glicerynie

• zlewki

• menzurka

• pipeta

Doświadczenie rozpoczęłyśmy od 5krotnego opłukania stalagmometru cieczą wzorcową. Następnie 5krotnie napełniłyśmy stalagmometr cieczą wzorcową i liczyłyśmy wypływające krople. Później dodałyśmy jedną kroplę detergentu i znów 5 razy sprawdziłyśmy ilość wypływających kropli. Liczenie powtórzyłyśmy po dodaniu kolejnej kropli, a następnie jeszcze jednej. Wszystkie wyniki zanotowałyśmy i obliczyłyśmy średnią. Oto one:

1. ciecz wzorcowa:

1. 73

2. 69

3. 72

4. 69

5. 70

średnio: 71

2. roztwór 1 kropli detergentu w glicerynie:

1. 83

2. 78

3. 82

4. 84

5. 82

średnio: 82

3. roztwór 2 kropli detergentu w glicerynie:

1. 86

2. 88

3. 86

4. 88

5. 85

średnio: 87

4. roztwór 3 kropli detergentu w glicerynie:

1. 95

2. 92

3. 94

4. 91

5. 92

średnio: 93

OBLICZENIA:

*Przy założeniu że gęstości niewiele się różnią

Gdzie:

Wzór na napięcie powierzchniowe cieczy badanej:

Napięcie powierzchniowe 50% gliceryny:

Napięcie powierzchniowe cieczy badanej po dodaniu 1 kropli detergentu:

Napięcie powierzchniowe cieczy badanej po dodaniu 2 kropli detergentu:

Napięcie powierzchniowe cieczy badanej po dodaniu 3 kropli detergentu:

OBSERWACJE:

Liczba kropli cieczy wzorcowej wzrasta wraz z dodawaniem kolejnych kropli detergentu

WNIOSKI:

Detergenty zmniejszają napięcie powierzchniowe cieczy

---