Методические разработки к практикуму по коллоидной химии, страница 3

Данные заносят в таблицу 3.Значения поверхностного натяжения при различных температурах,рассчитанные по формуле (17), также заносят в таблицу 3.Таблица 3. Результаты эксперимента.t, 0Cσ, мДж/м2h, ммЭталонная жидкость – этиловый спирткомнатнаясм. табл. 1ПриложенияИсследуемая жидкостькомнатная30...70Максимальное давление в газовом пузырьке можно измерять также с помощьюмикропроцессорного блока МП–1. Принципиальная схема прибора дляизмеренияповерхностногонатяженияспомощьюмаксимального давления МП–1 показана на рис. 6.14датчикаизмеренияРис. 6.

Принципиальная схема прибора для измерения поверхностногонатяжения с помощью датчика измерения максимального давления МП–1.Длянастройкипараметроврегистрациимаксимальногодавлениявключить в сеть адаптер измерительного блока. Перед началом работынеобходимо прогреть прибор в течение 10 мин. Провести калибровку нулянажатием на кнопку «Пуск/Сброс».

Переходят в режим измерения ирегистрации максимального давления (на шкале прибора появляется буква R).Регулируют подачу воздуха с помощью микровинта 3 так, чтобы добитьсявремени формирования пузырька в диапазоне 5–10 секунд. Записываютнесколько значений максимального давления (не менее 5) и усредняютрезультаты измерений.Независимо от метода регистрации максимального давления порядокизмерения поверхностного натяжения остается таким же, как было описановыше.Обработка полученных результатов1. Построить график зависимости поверхностного натяжения исследуемойжидкости от температуры.2.

С помощью программы Microsoft Excel найти температурныйкоэффициент поверхностного натяжения dσ/dT и далее по уравнению (3)рассчитать значение удельной избыточной энтропии в поверхностном слое η(занести в таблицу 4).3. На основании экспериментальных значений поверхностного натяжения изначения η по уравнению (4) рассчитать значения удельной избыточнойвнутренней энергии в поверхностном слое εдля всех исследованныхтемператур (занести в таблицу 4).4. Рассчитать значения теплоты образования единицы поверхностиQs = ηТ при разных температурах и занести в таблицу 4.5.

Оценить значение критической температуры (Tc ≈ ε/η).15Таблица4.Рассчитанныетермодинамическиехарактеристикиповерхностного слоя.Т, Кσ, мДж/м2η, мДж/(м2К)Qs, мДж/м2ε, мДж/м26. На одном графике построить температурные зависимости σ, ε, Qs .Работа 1.2. Поверхностное натяжение на различных межфазных границахЦель работы: измерение поверхностного натяжения на границах разделафаз вода – воздух и вода – неполярная жидкость; расчет работ когезии (WК) иадгезии(WА).ПроверкаприменимостиправилаАнтонова.Расчетнедисперсионной составляющей поверхностного натяжения ( σ n ) воды.Измерение поверхностного натяжения на границах раздела вода – воздух ивода – неполярная жидкость проводят методом максимального давления впузырьке (капле) при комнатной температуре.

Измерения максимальногодавления в пузырьке (капле) проводят на микроманометре ММН–240.Описание метода и расчетные формулы приведены в лабораторной работе 1.1.Порядок выполнения работы:1. Неполярные жидкости берут по указанию преподавателя.2. Проводят измерения hэ для эталонной жидкости (дистиллированнаявода) на границе с воздухом при комнатной температуре (записав ее значение).Поверхностное натяжение воды на границе с воздухом ( σ э ) при даннойтемпературе приведено в таблице 3 Приложения.

Данные заносят в таблицу 1.3. Выливают эталонную жидкость из измерительной ячейки, сушат ячейкуи капилляр и поочередно для всех неполярных жидкостей измеряют значение h,соответствующее максимальному давлению в газовом пузырьке. Данные16заносят в таблицу 1. Значение поверхностного натяжения неполярныхжидкостей рассчитывают по уравнению (17).4. Измерения межфазного натяжения на границе вода – неполярнаяжидкость проводят следующим добразом:•наливают в измерительную ячейку воду, потом слой неполярной жидкости(не смешивающейся с водой) толщиной примерно 2 см;•в стаканчик наливают неполярную жидкость и заполняют ею капилляртаким образом, чтобы высота столбика жидкости составляла примерно 2см;•устанавливают капиллярный кончик на межфазной границе так, чтобы онбыл погружен в воду на глубину 2–3 мм.

При этом уровни менисков вкапилляре и измерительной ячейке должны совпадать;•с помощью микроманометра измеряют значение h.Межфазное натяжение рассчитывают по формуле (17). Данные заносят втаблицу 1.5. Аналогично проводят измерения для второй неполярной жидкости.Таблица 1. Результаты эксперимента.Исследуемая системаh, ммσ, мДж/м2Эталонная жидкость – вода (насм.таблицу 3границе с воздухом)ПриложенияНеполярная жидкость 1(на границе с воздухом)Неполярная жидкость 2(на границе с воздухом)Вода – неполярная жидкость 1Вода – неполярная жидкость 2Обработка полученных результатов1.

Для исследованных жидкостей рассчитать значения работы когезии WК =2σ (где σ – поверхностное натяжение данной жидкости на границе с воздухом).172. Для границ раздела фаз жидкость – жидкость рассчитать значенияработы адгезии WА = σ1 + σ2 – σ12 (где σ1 и σ2 – поверхностное натяжение,соответственно, воды и неполярной жидкости на границе с воздухом; σ12 –межфазное натяжение на границе раздела неполярная жидкость – вода).3. Рассчитать по правилу Антонова межфазное натяжение для исследованныхжидкостей (σ12 = σ1 – σ2).4. Сделать вывод о применимости правила Антонова для изученных жидкостей.5.

Обосновать возможность использования полученных результатов дляоценки недисперсионной составляющей поверхностного натяжения (σn) воды.Рассчитать значение σn.РАЗДЕЛ 2.АДСОРБЦИЯ ПОВЕРХНОСТНО–АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ (ПАВ)НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА ФАЗ.Поверхностное натяжение водных растворов, в зависимости от природырастворённого вещества, может быть как выше, так и ниже поверхностногонатяжения воды. Вещества, снижающие поверхностное натяжение воды,называются поверхностно-активными (ПАВ). ПАВ - органические вещества сдифильным строением молекул, т.е. состоящие из двух частей: гидрофильной(полярной) и гидрофобной (неполярная углеводородная цепь). Способностьвеществаизменятьповерхностноенатяжениерастворахарактеризуетсяповерхностной активностью:⎛ dσ ⎞.dc ⎟⎠G = lim ⎜ −c→0 ⎝(2.1)Зависимость поверхностного натяжения от концентрации (изотермаповерхностного натяжения) в широком интервале концентраций описываетсяуравнением Шишковского:σ = σ 0 − b ln (1 + Ac ) ,(2.2)где b и A – константы, характеризующие ПАВ, причем b является константойдля всего гомологического ряда, а A - константа, характерная для данного18вещества и возрастающая примерно в три раза при удлинении углеводородногорадикала молекулы ПАВ на одну СН2 группу.Снижение поверхностного натяжения обусловлено адсорбцией ПАВ наповерхностиразделасамопроизвольногораствор/воздух.концентрированияАдсорбциейназываетсярастворённогопроцессвеществавповерхностном слое.

Универсальным термодинамическим соотношением,описывающим адсорбцию, является уравнение Гиббса:Γ=−c dσ.RT dc(2.3)Совместное решение уравнений (2.2) и (2.3) приводит к уравнению:Γ=−которое при условииc dσb Ac,=RT dc RT 1 + Ac(2.4)b= Γ m превращается в известное уравнение Ленгмюра:RTΓ = Γm ⋅Ac,1 + Ac(2.5)где Г m – адсорбция в предельно заполненном слое.Экспериментально определив величину Г m можно оценить площадь s0,занимаемую молекулой ПАВ,s0 =1Гm N A(2.6)δ0 =Γm M,ρ(2.7)и толщину монослоя ПАВ δ0:Адсорбцию ПАВ из водных растворов на твердом адсорбенте можнорассчитать по следующему уравнению:Γ∗ =(c0)− cравн Vm,(2.8)где Г* – адсорбция ПАВ на твердой поверхности, выраженная в моль/г; с0 и сравн– соответственно, начальная и равновесная (после адсорбции) концентрациираствора ПАВ; V – объем раствора; m – масса твердого адсорбента.19Лабораторные работы к разделу 2.Работа 2.1.

Влияние длины цепи поверхностно–активных веществна поверхностное натяжение их водных растворов.Цель работы: определение зависимости поверхностного натяжения отконцентрации водных растворов двух ПАВ из одного гомологического ряда;вычисление констант b и A в уравнении Шишковского и величинповерхностной активности; определение размеров молекул ПАВ; расчетстандартной свободной энергии адсорбции (ΔG°) ПАВ на границе разделараствор – воздух и ее инкремента ΔG°СН2, проверка применимости правилаТраубе.Порядок выполнения работы.1. Тщательно моют 20 колб хромовой смесью и ополаскиваютдистиллированной водой.2. Для двух указанных преподавателем ПАВ, принадлежащих к одномугомологическомуряду,готовятдвесериипо10растворовразнойконцентрации. Объем каждого раствора – 30 мл.

Приготовление растворовосуществляется путем разбавления водой исходного раствора ПАВ известнойконцентрации (раствор № 10) в соответствии с таблицей 1.Таблица1.СоотношениеобъемовраствораПАВиводыдляприготовления исследуемых растворов ПАВ.№ п/п12345678910Объем исходного р–раПАВ, мл12345710152030Объем воды, мл29282726252320151003.

Поверхностное натяжение измеряют методом максимального давленияв пузырьке так же, как описано в лабораторной работе 1.1. В качествеэталонной жидкости используется вода, которую наливают в измерительнуюячейку и помещают в сосуд с термостатирующей жидкостью. С помощьютермометра фиксируют температуру в сосуде. Измеряют высоту поднятия20манометрической жидкости hэ, соответствующую максимальному давлению впузырьке. Значение поверхностного натяжения эталонной жидкости – воды σэпри температуре опыта берут из таблицы 3 Приложения.4. Выливают эталонную жидкость. Ополоснув измерительную ячейку икапилляр самым разбавленным раствором ПАВ, заливают его в ячейку.Измеряют высоту поднятия манометрической жидкости h (записывают втаблицу 2).5.