18_поверхностное натяжение. Лабораторная работа 18. Исследование поверхности раздела фаз раствор пав воздух (поверхностное натяжение)

• Название: Лабораторная работа 18. Исследование поверхности раздела фаз раствор пав воздух (поверхностное натяжение)
• Дата: 18.02.2023
• Размер: 202.93 Kb.
• Имя файла: 18_поверхностное натяжение.docx
• Тип: Лабораторная работа; #943136

Лабораторная работа № 18. Исследование поверхности раздела фаз раствор ПАВ – воздух (поверхностное натяжение)

Цель работы

На основании изотермы поверхностного натяжения и изотермы адсорбции определить постоянные уравнения Шишковского, рассчитать предельное значение удельной адсорбции ПАВ, площадь, занимаемую одной молекулой и ее длину.

Сущность работы

С ростом концентрации ПАВ в растворе поверхностное натяжение раствора резко снижается. Наиболее простым способом измерения поверхностного натяжения является капельный метод. Он основан на том, что капля жидкости, висящая на горизонтальной поверхности сталагмометра, отрывается от нее в тот момент, когда ее вес уравновешивается силой, равной произведению поверхностного натяжения на длину окружности основания капли. Чем меньше поверхностное натяжение жидкости, тем мельче капли и больше их число. По числу капель для растворов с разной концентрацией определяют величину поверхностного натяжения.

Оборудование и реактивы

Тензиометр полуавтоматический – 1 шт., сталагмометр – 1 шт.; колба коническая или круглая объемом 50 или 100 мл – 4 шт.; стакан химический объемом 100 мл – 1 шт.; стакан химический объемом 250 мл – 1 шт.; мерная пипетка объемом 20 мл – 1 шт.; резиновая груша или шприц – 1 шт.; растворы ПАВ для исследований (наименование и концентрация раствора ПАВ указана на емкости с реактивом).

Выполнение работы

1. Приготовить 5 растворов ПАВ, заданного преподавателем.

1.1. В маркированный химический стакан вместимостью 250 мл отобрать около 200 мл дистиллированной воды.

1.2. Взять 4 нумерованные колбы вместимостью 100 мл.

1.3. В каждую из четырех колб при помощи мерной пипетки из химического стакана вместимостью 250 мл отобрать по 20 мл дистиллированной воды.

1.4. В маркированный химический стакан объемом 100 мл отобрать из бутыли около 50 мл раствора ПАВ, заданного преподавателем.

1.5. В колбу № 1 при помощи мерной пипетки отобрать 20 мл раствора ПАВ и перемешать.

1.6. Из колбы № 1 при помощи мерной пипетки отобрать 20 мл раствора ПАВ, перенести в колбу № 2, перемешать.

1.7. Из колбы № 2 при помощи мерной пипетки отобрать 20 мл раствора ПАВ, перенести в колбу № 3, перемешать.

1.8. Из колбы № 3 при помощи мерной пипетки отобрать 20 мл раствора ПАВ, перенести в колбу № 4, перемешать.

По окончании приготовления растворов должно получиться 5 проб с растворами ПАВ разной концентрации: стакан с исходным раствором и 4 колбы, в которых концентрация ПАВ последовательно уменьшается в 2 раза.

2. Измерить поверхностное натяжение при помощи тензиометра.

2.1. Убедиться, что столик тензиометра находится в крайнем нижнем положении.

2.2. Поместить кольцо для измерения поверхностного натяжения в специальный подвес прибора.

2.3. Включить прибор.

2.4. Пользуясь кнопками меню, перевести прибор в режим измерения поверхностного натяжения методом кольца.

2.5. Исследуемый раствор помещают в измерительную ячейку.

2.6. Ячейку с раствором, подготовленным для измерений, располагают на подъёмном столике тензиометра.

2.7. Поднимают столик с пробой таким образом, чтобы кольцо тензиометра было погружено в раствор на глубину около 5-10 мм, но не касалось стенок и дна ячейки.

2.8. Плавно опускают столик с пробой; в момент отрыва кольца от поверхности жидкости прибор измерит поверхностное натяжение и сообщит об этом звуковым сигналом.

2.9. На табло прибора считывают значение поверхностного натяжения, которое заносят в таблицу результатов измерений поверхностного натяжения протокола лабораторной работы

2.10. Каждое измерение поверхностного натяжения повторяют 2 раза, выполняя п.п. с 2.7 по 2.9.

2.11. Измеряют поверхностное натяжение всех приготовленных растворов, следуя п.п. с 2.5. по 2.10.

3. Измерить поверхностное натяжение методом сталагмометра

3.1. Определить водяное число сталагмометра N₀.

3.1.1. Из маркированного химического стакана вместимостью 250 мл отобрать порцию воды в сталагмометр.

3.1.2. Дать воде спокойно течь и сосчитать, сколько капель образуется при движении мениска жидкости от верхней риски сталагмометра до нижней. Полученное значение занести в таблицу 1 протокола лабораторной работы.

3.1.3. Повторить выполнение п.п. 2.1.1. и 2.1.2 не менее 3 раз.

3.2. Определить количество капель N для каждого из растворов ПАВ.

3.2.1. Измерения начинать с самого разбавленного раствора.

3.2.2. Из маркированного химического стакана или колбы при помощи щприца или груши отобрать порцию раствора ПАВ в сталагмометр; при этом поступают, как с отбором пробы мерной пипеткой, учитывая, что ёмкоть сталагмометра не более 0,5 мл.

3.2.3. Дать раствору спокойно течь и сосчитать, сколько капель образуется при движении мениска жидкости от верхней риски сталагмометра до нижней. Полученное значение занести в таблицу «Зависимость количества капель от концентрации раствора ПАВ» протокола лабораторной работы.

3.2.4. Повторить выполнение п.п. 3.2.2 и 3.2.3 не менне 3 раз.

3.2.5. Операции с 3.2.2 по 3.2.4 проделать для всех пяти растворов ПАВ.

Протокол лабораторной работы

Наименование ПАВ
Химическая формула ПАВ
Массовая доля ПАВ в исходном растворе ω, %
Температура °С

Результаты измерения поверхностного натяжения растворов

№	Проба	Поверхностное натяжение, «размерность!!!»
		σ1	σ2	σ3	σ среднее
1	Н2О
2	ω/16
3	ω /8
4	ω /4
5	ω /2
6	ω

Зависимость количества капель от концентрации раствора ПАВ

№	Проба	Число капель
		N1	N2	N3	N (среднее значение)
1	Н2О
2	ω/16
3	ω /8
4	ω /4
5	ω /2
6	ω

Обработка экспериментальных данных

1. Построить график зависимости плотности раствора ПАВ от массовой доли ПАВ в растворе, и определить значения плотностей растворов ПАВ, использованных при проведении эксперимента и занести их в таблицу п. 4.

Плотности ПАВ

ПАВ	d103, кг/м3
Амиловый спирт	0,8144
Изоамиловый спирт	0,8120
Бутиловый спирт	0,8078
Изобутиловый спирт	0,8030
Пропиловый спирт	0,8035
Изопропиловый спирт	0,7855

График для определения плотности раствора ПАВ (на примере амилового спирта)

2. Вычислить молярную концентрацию ПАВ в каждом из исследованных растворов по формуле:

,

где ω – массовая доля ПАВ в растворе, %; d – плотность раствора ПАВ, г/см³, определеная графическим методом (см. рис. 8); М – молярная масса ПАВ, г/моль.

Значения молярных концентраций занести в таблицу п. 4.

Поверхностное натяжение воды

Т, K	0, кДж/м2	Т, K	0, кДж/м2
287	73,64	293	72,75
288	73,40	294	72,59
289	73,34	295	72,44
290	73,19	296	72,28
291	73,05	297	72,18
292	72,90	298	71,97

4. Заполнить таблицу

Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ

№	ω, %	d, г/см3	С103, моль/м3	, кДж/м2
1				0
2
3
4
5
6

5. Построить график изотермы поверхностного натяжения  = f(С)



6. Построить линию тренда (формат: полином 2 или 3 степени, показывать уравнение на диаграмме)



7. Определить коэффициенты уравнения Шишковского

7.1. Заполнить таблицу данных для определения констант уравнения Шишковского

№	, кДж/м2	С, моль/м3	K	b
1	1	С1	K1	b1
2	2	С2	K2	b2
3	3	С3	K3	b3
4	4	С4	K4	b4
5	5	С5	K5	b5
6	6	С6	K6	b6
			Kср. = ___	bср. = _____

7.1.1. Для нахождения _i разделить график, начиная с ₀ по оси ординат на 4-8 равных участка, полученные численные значения и есть величина _i.

7.1.2. Значения С_i определяют для выбранных _Т графически по линии тренда, либо высчитывают по уравнению линии тренда.



7.1.3. Значения K для выбранных точек вычисляют по формуле



и рассчитывают среднее арифметическое значение (K_ср).

7.2. Коэффициент а уравнения Шишковского (характеризует предельную адсорбцию ПАВ на поверхности) вычисляют по формуле

,

где Δσ – шаг, с которым делят график на указанное в п. 6.1.1 количество участков

7.3. Коэффициент b уравнения Шишковского (характеризует адсорбционную способность вещества в разбавленных растворах) для каждой концентрации вычисляют по формуле



и берут среднее арифметическое значение b_ср.

8. Построить изотерму адсорбции

8.1. Заполнить таблицу

№	i, кДж/м2	Сi, моль/л	(dσ/dC)i	yi	Гi, моль/м2
1	1	С1
2	2	С2
3	3	С3
4	4	С4
5	5	С5
6	6	С6
7	7	С7

8.1.1 (а). Графический способ определения y_i: 1) для значений концентрации ПАВ проводят касательные к зависимости σ_Т = f(С), ориентируясь на положение линии тренда, до пересечения с осью ординат; 2) величину y_i вычисляют по разности значения пересечения касательной с оью ординат и величиной σ в точке, для которой проводили касательную:



y₄₀ = (56-40)·10³ Дж/м³; y₆₀ = (70-60)
8.1.1 (б). Определение y_i через уравнение касательной:

1) выполняют дифференцирование уравнения линии тренда зависимости σ = f(C);

2) в полученную формулу для dσ/dC подставляют значение С_i, проводят расчет и получают значение углового коэффициента уравнения касательной (dσ/dC)_i;

3) Вычисляют значение y_i по формуле

8.1.2. Значения Г_i вычисляют по формуле:



8.2. Строят изотерму адсорбции в координатах Г = f(C)



9. По графику изотермы находят предельное значение удельной адсорбции Г_∞; для приведенного здесь рисунка Г_∞ = 6,7 моль/м².

10. Вычисляют площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ по уравнению:

.

11. Рассчитывают длину молекулы по уравнению:

.

Содержание отчета по лабораторной работе

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Ход эксперимента.

4. Экспериментальные данные (см. протокол к лабораторной работе).

5. Обработка экспериментальных данных.

6. Вывод.