A. Pomiar napięcia powierzchniowego
Wprowadzenie
Napięcie powierzchniowe jest zjawiskiem fizycznym zachodzącym na granicy faz - ciekłej i stałej lub gazowej (ewentualnie innej cieczy). Cząsteczki cieczy przyciągają się, co powoduje wytworzenie się sił działających na powierzchni cieczy przyciągających cząsteczki do środka. (w środku wszystkie cząstki są przyciągane ze wszystkich stron z ta sama siła). Istnienie napięcia powierzchniowego decyduje o wznoszeniu się wody w kapilarach, utrudnia też zanurzanie się w cieczy niepodatnych na zwilżanie ciał. Przy wysokim napięciu powierzchniowym siły kohezji (spójności) są większe niż siły adhezji (przylegania).
Kiedy ciecz spływa bardzo powoli (np. z kurka), tworzą się krople - odrywają się one dopiero wtedy, gdy siła grawitacji przewyższy siłę napięcia powierzchniowego. Krople są okrągłe, gdyż ciecz stara się osiągnąć możliwie najmniejszą powierzchnię przy danej objętości.. Napięcie powierzchniowe możemy oznaczyć w chwili oderwania się kropli: siła grawitacji równoważy wtedy napięcie powierzchniowe - stosuje się wówczas wzór:
2Πrγ = mg
r- promień kurka
γ - napięcie powierzchniowe [mN/m]
m - masa kropli
g - przyspieszenie ziemskie
Przebieg doświadczenia
Do małego czystego, zważonego naczyńka wagowego wlano 20 kropel wody z kurka o średnicy 6mm. Następnie obliczono napięcie powierchniowe
Obliczenia
1. Dane
Liczba kropel n = 20
Masa kropel i naczyńka Mc = 4,158g
Masa naczyńka Mn = 1,974g
Średnica wylotu kurka 2r = 5,8mm
Przyspieszenie ziemskie g = 9m81 m/s2
2. Masa wszystkich kropli
M = Mc - Mn = 4,158 - 1,974 = 2,184 (g)
3. Masa 1 kropli
m = M/n = 2,184/20 = 0,1072 (g)
4. Napięcie powierzchniowe wody
2Πrγ = mg, stąd: γ = mg/2Πr
γ = 0.1072 * 981 / 2*3,14*0,29 = 105,1632 / 1,821 = 57,75 (mN/m)
Wnioski
Dokładna wartość napięcia powierzchniowego wody wynosi 72 mN/m. Różnica jest spowodowana barakiem dokładności pomiaru - użyto małej liczby kropel, jako średnicę wylotu każdego kurka przyjęto średnicę jednego z nich. Drugim czynnikiem mogło być zanieczyszczenie wody.
B. Kąt zwilżania
Wprowadzenie
Kropla cieczy na powierzchni różnych materiałów może rozpłynąć się lub utworzyć kulkę. Zależy o od właściwości danego materiału - konkretnie od sił działających na granicach faz. Siły te wynikają z oddziaływań: polarnych, dyspersyjnych i specyficznych między drobinami faz.
Kąt jaki tworzy kropla wody na materiale opisuje równanie Younga. Ma ono postać :
γsp= γsw +γwpcosΘ
γsp - energia międzyfazowa na granicy faz ciało stałe - powietrze
γsw - energia międzyfazowa na granicy faz ciało stałe - woda
γwp - energia międzyfazowa na granicy faz woda - powietrze (dla cieczy równa napięciu powierzchniowemu)
Θ - kąt zwilżania
Kąt Θ zawarty jest między powierzchnią ciała stałego a styczną do kropli w punkcie styku 3 faz. Jeśli kąt jest równy zero, wtedy substancję nazywamy hydrofilną, w przeciwnym wypadku jest to substancja hydrofobowa. Najbardziej hydrofobowe substancje mają kąt zwilżania 110-112°.
Przebieg doświadczenia
Przygotowano gładkie płytki z teflonu, szkła, gipsu i siarki. Za pomocą pipety naniesiono na nie po jednej kropli wody. Narysowałam krople wody na papierze milimetrowym i korzystając z funkcji arctg obliczyłam kąt zwilżania.
Obserwacje
Dla gipsu Θ = 35°
Dla szkła Θ = 44°
Dla siarki Θ = 61°
Dla teflonu Θ = 84°
Wnioski
Substancją najbardziej hydrofobową z badanych jest teflon - jego kąt zwilżania wynosi 84°. Gips zaś jest substancją najmniej hydrofobową z Θ = 35°. Kąty te nie są dokładne z powodu obserwacji kropel gołym okiem i ręcznego odwzorowywania.
C. Flotowalność substancji
Substancje hydrofobowe można zebrać z cieczy wody w wyniku flotacji. Polega ona na przepuszczaniu pęcherzyków powietrza przez ciecz z daną substancją - pęcherzyk powietrza łączy się z ziarnem i wynosi je na powierzchnię. Prawdopodobieństwo zajścia tego procesu zależy od około 100 parametrów fizykochemicznych - na przykład hydrofobowości (prawdopodobieństwo połączenia się ziarna z pęcherzykiem) lub ciężaru (gdy jest za lekkie, pęcherzykowi trudniej jest się przytwierdzić, gdy za ciężkie - pęcherzyk odrywa się).
Przebieg doświadczenia
Do zlewki z 25 ml wody dodano 1g: a) siarki, b) kwarcu. Mieszano substancję przez 5 minut, po czym przelano powstałą zawiesinę do flotowalnika Hallimonda ( ustawionego w pozycji poziomej) - po czym przekręcono aparat do pozycji pionowej. Flotacje obu substancji prowadzono przez 5 minut.
Obserwacje
po półtora minuty flotacji cała siarka znalazła się w zbiorniku aparatu Hallimonda
kwarc nie uległ flotacji
Wnioski
Siarka jest substancją wysoce hydrofobową, więc szybko poddała się flotacji. Natomiast kwarc osiadł na dnie aparatu i ani jedno jego ziarno nie znalazło się w zbiorniczku ponieważ jest substancją hydrofilną.
Literatura
Jan Drzymała „Zjawiska międzyfazowe”
Wydział Geoinżynierii Bożków, 21.03.2005
Górnictwa i Geologii
Politechniki Wrocławskiej
Chemia
Sprawozdanie z ćwiczenia „Zjawiska międzyfazowe”
Prowadzący: mgr Bajda
Grupa: środa 1115-13
Anna Uciechowska
135868