1.1.docx

Ćw. 1.1 WPŁYW SUBSTANCJI POWIERZCHNIOWO CZYNNEJ NA NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE WODY IZOTERMA NADMIAROWA GIBBSA

1.       Wstęp teoretyczny:

              Ciecze wykazują tendencję do przybierania takiego kształtu, przy którym dana objętość cieczy ma najmniejszą powierzchnię. Powierzchnia ta ma właściwości elastycznej, napiętej, błony odgraniczającą ciecz od innej fazy tzn. od innej cieczy gazu lud ciała stałego.

              Pojecie napięcia powierzchniowego związane jest z tą właśnie błoną i jej właściwościami. Zjawisko to jest związane z istnieniem sił wzajemnego przyciągania cząsteczek noszących nazwę sił spójności międzycząsteczkowej, działających na odległość kilku nanometrów.

              W otoczeniu każdej cząsteczki istnieje sfera obejmująca cząsteczki sąsiednie przyciągające ją i przez nią przyciągane. W skutek działania takich sił warstwa powierzchniowa wywiera określone ciśnienie na głębsze warstwy cieczy zjawisko to jest nazwane ciśnieniem powierzchniowym. Siły te mają tendencję do wciągania cząsteczek warstwy powierzchniowej do środka cieczy i nie pozwalają na powiększenie jej powierzchni.

              W warstwie powierzchniowej również występują oddziaływania międzycząsteczkowe wywołane działaniem sił powierzchniowych, których wykazują się tym iż są statyczne do powierzchni, są skierowane do środka powierzchni oraz są położone do granicy powierzchni tzn. do jej obwodu.

              Siłą napięcia powierzchniowego nazywamy sumę takich sił powierzchniowych na jedną długość obwodu powierzchni. Jednak w celu zwiększenia powierzchni swobodnej cieczy należy wykonać pracę przeciwko siłą napięcia powierzchniowego, zależność tę możemy wyliczyć ze wzoru:

W =  σ · l · n     W = σ · ΔA

l - długość granicy powierzchni która ulegnie przesunięciu

n - odcinek o który zostanie przesunięta granica powierzchni

ΔA - przyrost powierzchni

σ - siła napięcia powierzchniowego [N/m-1]

W - praca [J]

              Tym samym napięcie powierzchniowe jest równe pracy niezbędnej dla zmiany powierzchni swobodnej o jednostkę. Tak więc w przypadku gdy ΔA = 1, wtedy σ = W [J/m-2]

              Napięcie powierzchniowe występuje na każdej granicy dwóch faz i jest wielkością charakterystyczną dla tej granicy. Napięcie powierzchniowe cieczy mierzy się na powierzchni granicznej pomiędzy cieczą i jej para nasyconą. Natomiast napięcie powierzchniowe pomiędzy dwiema cieczami jest równe różnicy napięć powierzchniowych tych cieczy.

σ 1·2= σ1 - σ2

              Wraz ze wzrostem temperatury napięcie powierzchniowe maleje i staje się bliskie zeru w granicach temperatury krytycznej.

              Napięcie powierzchniowe roztworów jest różne od napięcia pow. czystego rozpuszczalnika, zależy ono od rodzaju substancji i najczęściej ulega obniżeniu lub nieznacznemu podwyższeniu wraz ze wzrostem stężenia sub. rozpuszczonej. Przyczyna tych zmian jest absorbowanie się cząsteczek w warstwie powierzchniowej albo gromadzenie się w głębi roztworu unikając tym samym kontaktu z warstwa powierzchniową.

              Zjawiska te opisuje równanie absorpcji Gibbsa:

Γ=cR·T (∂∙ σ∂ ∙c)

Γ - nadmiar sub. rozpuszczonej w warstwie pow. w porównaniu z wnętrzem roztworu w odniesieniu do 1 cm2

C - stężenie roztworu

σ - napięcie powierzchniowe

R i T - stała gazowa oraz temp.

(∂∙ σ∂ ∙c) - zmiana napięcia pow. wywołana nieskończenie małą zmianą stęż. roztworu, przy stałym p i T.

              Gdy ∂∙ σ∂ ∙c › 0 wtedy występuje tzw. absorpcja ujemna, to znaczy że stęż. sub. w warstwie pow. Jest niższe niż w głębi roztworu, a zmiana stęż. powoduje nieznacznie podwyższa napięcie pow.

              Gdy ∂∙ σ∂ ∙c ‹ 0 wtedy występuje tzw. absorpcja dodatnia, to znaczy że stęż. sub. w warstwie pow. jest wyższe niż w głębi roztworu, a zmiana stęż. powoduje nieznaczne obniżenie napięcia pow. Grupa związków powodująca spadek napięcia pow. nazywana jest substancjami lub związkami powierzchniowo czynnymi. Związki te zbudowane są z polarnej grupy hydrofilowej łączącej się z wodą (np. - COOH, -OH - SO3H oraz aminowa) i niepolarnej hydrofobowej unikającej wody ( łańcuchy węglowodorowe).

              Wpływ tych związków na napięcie pow. przedstawia równanie Szyszkowskiego:

σ = σ - a ln (1+ bc)

gdzie σ oznaczają odp. napięcie pow. czystego rozpuszczalnika i roztworu [N/m]

c - stęż. sub. pow. czynnej [mol/m3]

a i b - są stałymi zależnymi od rodzaju sub.

2.       Cel doświadczenia:

              Celem naszego doświadczenia było wykazanie zależności pomiędzy wzrostem stężenia roztworu, a wzrostem bądź spadkiem wartości napięcia powierzchniowego występującego na granicy dwóch faz - dwóch cieczy - wody i butanolu zmieszanych ze sobą w różnych proporcjach.

3.       Dane i obliczenia: