SPRAWOZD, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 2


Metale Nieżelazne 14.05.2002

Inżynieria Materiałowa

Rok II

Ćwiczenie 2

Napięcie powierzchniowe w układzie faza ciekła - faza gazowa

Piotr Włoch

Wprowadzenie

Cząstka cieczy, znajdująca się na powierzchni fazowej ciecz-gaz, jest poddana oddziaływaniu sił między cząsteczkowych obydwu ośrodków. Siła wypadkowa, skierowana prostopadle do powierzchni fazowej, dąży, do wciągnięcia cząstki w głąb cieczy. Objawia się to dążnością układu do zmniejszenia powierzchni fazowej. Zjawisko to nazywa się napięciem powierzchniowymi Miarą napięcia powierzchniowego jest siła działająca na jednostkę długości na powierzchni fazowej ( siła styczna do tej powierzchni, dążąca do jej Zmniejszenia) lub praca potrzebna do zwiększenia powierzchni fazowej o jednostkę. Równoważnymi wymiarami

napięcia powierzchniowego są więc 0x01 graphic
oraz 0x01 graphic
.

Najmniejszą wartość stosunku wielkości powierzchni do objętością wykazuje kula. Stąd też, w wyniku działania napięcia powierzchniowego dążącego do zmniejszenia powierzchni fazowej, ciecze zawieszone w fazie gazowej przyjmują kształt kulistych kropel (krople mgły, krople cieczy wypływającej ze zbiornika). Zjawisko staje się bardziej złożone w przypadku zetknięcia się trzech faz (np. dwie fazy ciekłe i faza gazowa lub fazy ciekła, stała i gazowa itp.). Na cząsteczkę cieczy znajdującą się na granicy zetknięcia się trzech faz oddziaływają siły międzycząsteczkowe trzech, ośrodków. W przypadku jeżeli napięcie powierzchniowe na granicy faz ciekła-gazowa jest większe niż na granicy faz ciekła-stała, wówczas obserwuje się zwilżanie. Ma to miejsce w układach takich, jak na przykład: woda-odtłuszczona powierzchnia szkła, benzen-metal, miedź-rtęć. W przeciwnym przypadku obserwuje się brak zwilżalności np. woda-natłuszczona powierzchnia metalu lub szkła, rtęć-szkło lub rtęć-żelazo itp. W obydwu przypadkach (zwilżalność lub brak zwilżalności) zwiększa się ta powierzchnia, której rozbudowa jest związana z mniejszym nakładem energii.

Tematem niniejszego ćwiczenia jest napięcie powierzchniowe na granicy faz ciekłej i gazowej. Tak zwane napięcie powierzchniowe właściwe wyznacza się w układzie nie zawierającym obcych gazów (ciecz-para). Jednakże obecność obcych gazów, gdy nie reagują one z badaną cieczą, wpływa w zaniedbywalnie małym stopniu na mierzoną wielkość.

Zależność napięcia powierzchniowego cieczy od temperatury opisuje wyprowadzone przez Etövösa równanie (1):

0x01 graphic
(1)

gdzie: M oznacza ciężar cząsteczkowy, d - ciężar właściwy (stąd 0x01 graphic
jest objętością jednego mola), TK - temperatura krytyczna, K jest wartością stałą.

Zależność napięcia powierzchniowego od stężenia substancji rozpuszczonych posiada charakter złożony, zależny od rodzaju układu. Dla wodnych roztworów kwasów tłuszczowych zależność tę ujmuje wyprowadzone przez Szyszkowskiego równanie (2):

0x01 graphic
(2)

gdzie: 0x01 graphic
oznacza napięcie powierzchniowe czystego rozpuszczalnika, 0x01 graphic
- roztworu, a oraz b są stałymi, c - stężeniem. Zależność napięcia powierzchniowego od stężenia wiąże się w tym przypadku ze zjawiskiem adsorpcji substancji rozpuszczonej na granicy fazowej. W przypadku stopów metali brak jest ogólnego równania ujmującego zależność napięcia powierzchniowego od stężenia. Dodatkowym czynnikiem komplikującym sytuację w tych układach jest możliwość powstawania różnych związków.

Jak wynika z definicji napięcia powierzchniowego, zmiana wielkości powierzchni fazowej wiąże się z efektami energetycznymi. Zmiana energii swobodnej związana ze wzrostem powierzchni o 1 cm2 jest równa potrzebnej do tego pracy. Tak więc energia swobodna 1 cm2 powierzchni fazowej jest równa napięciu powierzchniowemu:

0x01 graphic
. (3)

Uwzględniając znane zależności

0x01 graphic
(4a)

oraz

F = U - TS (4b)

można napisać

0x01 graphic
. (5)

U oznacza tu całkowitą energię 1 cm2 powierzchni fazowej.

Cel ćwiczenia

  1. Pomiar napięcia powierzchniowego alkoholu oraz roztworu mydła metodami stalagnometryczną i pęcherzykową. Wyznaczenie błędów względnych i ocena dokładności metod.

  2. Pomiar napięcia powierzchniowego (metodą stalagmometryczną lub pęcherzykową) roztworów wodnych mydła oraz alkoholu o różnych stężeniach. Ustalenie w oparciu o uzyskane wyniki zakresu stosowalności równania Szyszkowskiego oraz ewentualne wyznaczenie współczynników tego równania.

  3. Wykreślenie na podstawie danych tabelarycznych zależności napięcia powierzchniowego wody, glinu, cynku, cyny, ołowiu i miedzi od temperatury. W oparciu o ten wykres należy wyznaczyć wartości 0x01 graphic
    . Należy również wyznaczyć całkowitą energię powierzchniową tych substancji (równie (5)).

Wyniki pomiarów

1.

Metoda stalagmometryczna

Metoda pęcherzykowa

Substancja

Ilość kropel w kolejnych pomiarach n

Ciężar właściwy d

0x01 graphic

0x01 graphic

Manometryczna różnica poziomów

h'

Głębokość zanurzenia kapilary

h

0x01 graphic

0x01 graphic

-

0x01 graphic

-

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

-

0x01 graphic

H2O

44

1.00

1.00

72.583

37

21

1.00

72.583

44

38

44

39

44

38

alkohol 100%

120

0.807

0.297

21.557

23

21

0.434

31.501

119

24

120

26

119.67

24.33

0.1% roztwór mydła

91

1.00

0.482

34.985

32

21

0.628

45.582

91

32

92

31

91.33

31.67

0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic

2.

Stężenie

Ciężar właściwy

dX

Ilość kropel

nX

Napięcie powierzchniowe

0x01 graphic

Błąd względny

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

-

0x01 graphic

0x01 graphic

-

-

100

0.807

119.67

21.537

4.3

80

0.859

114.67

23.924

4.4

-2.500

-0.4

60

0.909

115.00

25.244

4.4

-1.250

-0.8

40

0.948

106.33

28.473

4.4

-0.666

-1.5

20

0.974

80.67

38.560

4.7

-0.235

-4.26

10

0.985

66.33

47.426

5.0

-0.075

-13.33

5

0.991

56.00

56.516

5.3

-0.075

-13.33

1

0.997

47.00

67.746

5.6

3.

H2O

Sn

Pb

Al

Zn

Cu

t0

0x01 graphic

t0

0x01 graphic

t0

0x01 graphic

t0

0x01 graphic

t0

0x01 graphic

t0

0x01 graphic

[oC]

0x01 graphic

[oC]

0x01 graphic

[oC]

0x01 graphic

[oC]

0x01 graphic

[oC]

0x01 graphic

[oC]

0x01 graphic

0

75.626

232

578.8

327

469.9

706

494

420

773.0

1131

1103

5

74.860

250

575.8

370

465.9

762

489

505

762.2

1150

1145

10

74.113

300

566.0

425

447.3

794

483

545

749.5

1200

1154

15

73.350

350

556.2

472

443.4

816

480

616

739.7

1215

1166

20

72.583

400

545.4

507

440.5

897

469

635

728.9

25

71.810

450

535.6

557

430.7

906

466

30

71.035

500

525.8

610

421.8

935

463

35

70.230

550

516.0

657

415.9

40

69.416

600

506.2

45

68.592

50

67.799

55

66.894

60

66.040

65

65.167

70

64.274

75

63.393

80

62.500

85

61.587

90

60.684

95

59.763

0x01 graphic

0x01 graphic

Wnioski:

Jak widać z wyznaczonych błędów względnych metoda pomiaru napięcia powierzchniowego metodą stalagmometryczną jest dużo dokładniejsza niż metoda pęcherzykowa. Widzimy, iż błąd względny dla metody stalagmometrycznej nie przekracza 5% natomiast przy metodzie pęcherzykowej mamy błędy w okolicach 30 - 40%.

W naszym przypadku wykres odwrotności pochodnej jako funkcja stężenia jest linią prostą w przedziale stężeń od 20 do 80%. Świadczy to o tym, iż w badanym układzie w tym danym zakresie stężeń można stosować równanie Szyszkowskiego.

Powyżej mamy wyznaczone wartości U, które są stałą dla danego metalu. I tak odpowiednio: dla wody U = 121.22, dla cyny 679.19, dla ołowiu 569.38, dla aluminium 631.94, dla cynku 909.73 i dla miedzi 251.33. Jak widać największą wartość energii 1 cm2 powierzchni gazowej posiada cynk, natomiast najmniejszą woda.

Wartość tej stałej w przypadku szeregu cieczy organicznych wynosi 2.12. Stwierdzenie niższej wartości K wiązano dawniej a asocjacją cząstek cieczy. Obecnie przypisuje się to działaniu szeregu innych, nie zawsze znanych czynników.



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
SPRAWOZ4, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 12
SPRAWOZ6, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 18
SPRAWOZ4, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 12
Sprawozdanie - Nr 11, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 11
CHEMIA 12, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 12
napiecie pow nr 2, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 2
LABORKA UKASZ 3, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 3,4
CHEMIA 12, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 12
korozja dla justyny, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 21
Wyniki pomiarów ciepła rozpuszczania, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 3,4
Chemia fizyczna (3, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 3,4
lab. 05 - baron, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 5
Wykresy do 3, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 3,4
tekst 7, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 6
Chem 1, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 1
skoootaaa, Chemia fizyczna AGH laborki, lab 20

więcej podobnych podstron