B1.15 Felületi feszültség meghatározása differenciális kapilláremelkedés mérése alapján. Hallgatói kiegészítés őszi félév

Átírás

1 B1.15 Felületi feszültség meghatározása differenciális kapilláremelkedés mérése alapján Hallgatói kiegészítés 016. őszi félév Feladat: Ciklohexán vagy etanol (abszolút) felületi feszültségének megmérése 0-45 C hőmérséklet tartományban, 4-5 hőmérsékleten. Eötvös-állandó és kritikus hőmérséklet meghatározása. A felületi feszültség mérések fő leírását a B Praktikum, I. kötet 8-38 oldalain találják, de a mérés végrehajtására és az értékelésre vonatkozóan ez a kiegészítő leírás mérvadó. Megjegyzések a mérés kivitelezéséhez Fontos, hogy a kapillárisok tiszták legyenek. A kapillárisok krómkénsavas tisztítását a technikusok elvégezték. A mérést a legmagasabb hőmérsékleten kezdjék, onnan haladjanak az alacsonyabbak felé (ez különösen ciklohexán mérése esetén fontos). Az edényt az alábbi módon át kell öblíteni kevés vizsgálandó folyadékkal. A kapillárist, az edény tisztításakor magas mérőpohárba állítsuk (asztalra ne tegyük)! A kapillárison is keresztül kell szívni a mérendő folyadékot vízlégszivattyú segítségével. Ezután töltsünk az edénybe kb. 80 ml vizsgálandó folyadékot mérőpohárral! Ügyelni kell azonban arra, hogy folyadékmaradványok ne maradjanak a kapillárisok felső részén, mert ez meghamisítja a mérést. Ezeket a mérőedény oldalcsövére illesztett dugattyús fecskendő segítségével távolítsuk el úgy, hogy óvatosan levegőt szívunk vagy nyomunk a cellába! A mintát a mérés után öntsük a gyűjtőedénybe! A készüléket a mérés befejezése után nem kell acetonnal kiöblíteni, a minta maradéka magától elpárolog! A katetométer használata során nagyon fontos (B Praktikum II. 477 oldal FI.13 ábra jelölése szerint): - A távcső 9. vízszintjelzőjének rendszeres ellenőrzése és a vízszintestől való jelentős eltérés esetén a vízszintes ismételt beállítása a 30. mikrométercsavarral (Vigyázat, lassan áll be a buborék!). - A vízszintes síkú forgatás 19. mikrométercsavarja csak az óramutató járásával megegyező irányban forgat. A véghelyzet elérésekor, az újbóli használathoz, a 0. rögzítő csavar lazított helyzetében ezt a mikrométercsavart az óramutató járásával ellentétes irányban, több meneten keresztül ki kell csavarni. A 0. csavar ismételten rögzítve a 19. mikrométercsavar újból állítható. Észlelések: Egy - egy hőmérsékleten legalább két adatpárt jegyezzenek fel. Ügyeljenek a kapilláris belsejében levő folyadék termosztálására, cseréljék gyakran buborékképzéssel a kapillárisban levő folyadékot! A számoláshoz szükséges adatok: Anyag A sűrűség hőmérsékletfüggése a 0-50 C tartományban, Moláris tömeg M / (kg mol 1 ) ciklohexán ρc / kg m -3 = 797,313 0,9434 (t / C) 0,08416 etanol ρ E / kg m -3 = 804,308 0,7654 (t / C) 0,04607 γ 1 1 γ h = A ρg = r r ahol A = 3477 m 1 1 ρg Hasznos tanácsok a kiértékeléshez: - Számítsa ki az Eötvös-állandó és a kritikus hőmérséklet értékeit az Eötvös-törvény alábbi alakja alapján: γ(m/ρ) /3 = ke(tkr T). Ábrázoljuk a γ(m/ρ) /3 mennyiséget a hőmérséklet (Kelvinben megadva!) függvényében és illesszünk rá egyenest. Az egyenes meredeksége B = ke, tengelymetszete A = k E T kr. Ügyeljenek k E helyes mértékegységére (J/(K mol /3 )). - A hibaszámítás részletes leírását az A Praktikum oldalain találhatja meg. Számítsa ki k E hibáját az A Praktikum 3.3. fejezete és a mintapélda alapján.

2 - Tkr hibáját a Gauss-féle hibaterjedési törvény segítségével a következőképpen kaphatjuk meg: A A B T kr = + B B ahol A és B az illesztett egyenes tengelymetszete és meredeksége. A és B a tengelymetszet és a meredekség hibáját jelölik (az A praktikum 3.3. fejezete alapján számolva). Beadandó mérési eredmények: 1. A mérés hőmérsékletéhez tartozó h, ρ, γ, és γ (M/ρ) /3 adatok táblázatba foglalva. γ M hőmérséklet grafikon az illesztett egyenessel. Az illesztett egyenes paraméterei.. A ( ) 3 ρ 3. Az Eötvös-állandó és a kritikus hőmérséklet értékei és azok hibája 95%-os konfidencia intervallum választásával. 4. Az Eötvös-állandó értéke alapján jellemezze a határfelületi fázist. Irodalom - A Praktikum: Szalma József, Láng Győző, Péter László: Alapvető fizikai-kémiai mérések és a kísérleti adatok feldolgozása, ELTE Eötvös Kiadó, B Praktikum: Farkas József, Kaposi Olivér, Mihályi László, Mika József, Riedel Miklós, Bevezetés a fizikai kémiai mérésekbe, I és II. kötet, Szerk. Kaposi Olivér, Tankönyvkiadó, Budapest, Bencze László 014. évi leírása alapján Zsély István

3 B1.16 Felületi feszültség meghatározása buboréknyomás módszerével, kapilláraktivitás tanulmányozása Hallgatói kiegészítés 016. őszi félév Feladat: Különböző koncentrációjú vizes izobutil-alkohol oldatok és egy ismeretlen koncentrációjú izobutil-alkohol oldat felületi feszültségének meghatározása buboréknyomás módszerével. Felületi többletkoncentráció számítása. A felületi feszültség mérések fő leírását a B Praktikum, I. kötet 8-38 oldalain találják, de a mérés végrehajtására és az értékelésre vonatkozóan ez a kiegészítő leírás mérvadó. Megjegyzések a mérés kivitelezéséhez A használt készülék jelét és nevét a jegyzőkönyvbe fel kell írni! Jegyezzük fel a kapilláris bemerülési mélységét is! A hallgatók oldatsorozatot állítanak össze 5 cm 3 -es bürettával 50 cm 3 -es mérőlombikokban izobutanolból az alábbi beméréseket használva: 0,4 cm 3, 0,6 cm 3, 0,8 cm 3, 1, cm 3, 1,6 cm 3,,4 cm 3, 3, cm 3, 4.0 cm 3. Az összesen 8 oldatot két hallgatói csoportnak két mérőhelyen kell megmérnie. Mindkét hallgatói csoport külön-külön kiszámítja az oldatok koncentrációit és a felületi feszültségeket és az eredményeket megosztják egymással. A felületi többletkoncentráció meghatározása a két csoport 8 mérési eredményét felhasználva történik. A készített oldatok koncentrációjának pontos meghatározásához ismerni kell az oldott anyag anyagmennyiségét. Ezt legpontosabban tömegméréssel tudjuk meghatározni. Mérjük meg az üres lombik tömegét, engedjük bele az 5 cm 3 -es bürettából a kívánt térfogatú izobutanolt (nem ezzel a térfogattal számolunk!), majd mérjük meg ismét a lombik tömegét. A két tömeg különbsége az izobutanol tömege, amelyből anyagmennyisége számítható (M izobutanol= 74,1 g mol 1 ). Az oldatokat x desztillált vízzel kell elkészíteni. Az izobutil-alkohol és a víz nehezen elegyedik. Győződjünk meg a teljes elegyedésről (ne legyen kétfázisú a rendszer)! Az oldást ne rázással, hanem inkább örvényléssel illetve a lombik óvatos fel-le fordítgatásával segítsük, mert különben nehéz lesz megszüntetni az erős habzást! A mérés javasolt menete: 1. Állítsuk be a Mohr-Westphal mérleget (leírás: B Praktikum I. kötet 13. oldal) desztillált vízzel az aktuális szobahőmérsékleten a mellékelt vízsűrűség-táblázat (1. táblázat) segítségével! A táblázatban nem szereplő hőmérsékletekhez tartozó adatokat lineáris interpolációval számítsuk ki! Jegyezzük fel a hőmérséklet és sűrűség értékeket a jegyzőkönyvbe.. Mérjük meg az ismeretlen oldat sűrűségét a Mohr-Westphal mérleggel! 3. A mérések előtt az eszközöket nem kell átöblíteni krómkénsavval (a technikusok már előkészítették az eszközöket). Ha szükséges (például dupla buborékképződést tapasztalunk), a kapillárist tisztítsuk meg aceton vízlégszivattyú segítségével történő átszívatásával! 4. Mérjük meg a x desztillált víz, az ismeretlen oldatok, majd az oldatsorozat tagjainak buboréknyomását. A folyadék meniszkuszát úgy kell beállítani, hogy az a buborék leszakadásakor a felső körjellel legyen egy síkban. A kapilláris aljának és a felső körjelnek a távolsága a mérőhelyen megadott táblázatban található. Lassú csepegést állítsunk be, úgy, hogy a leolvasható maximális nyomáskülönbség ne függjön a buborékolási sebességtől. A folyadék meniszkuszának jól követhetően, lassan kell mozognia. Használjunk nagyítót a folyadékszintek leolvasáshoz a manométerben! A leolvasást ±0,1 mm pontossággal végezzük. Az egyik buborék leszakadásakor a manométer felső, a másik buborék leszakadásakor a manométer alsó állását olvassuk le.

4 Minden oldat esetében legalább kétszer újraindított buborékképzéssel sorozatonként legalább háromszor észleljük és jegyezzük le a folyadékszinteket a maximális nyomáskülönbség esetén! Oldatcserekor ne csak a folyadéktartó edény belsejét, illetve a kapilláris külsejét öblítsük le, hanem a kapillárison vízlégszivattyú segítségével a kapilláris belsején is szívassuk át az új oldatot! Az oldatsorozat tagjai elegendően hígak ahhoz, hogy sűrűségüket egyenlőnek vehessük a víz sűrűségével a mérés hőmérsékletén, így azok sűrűségét nem mérjük meg. Az értékeléshez: - A hibaszámítás részletes leírását az A Praktikum oldalain találhatja meg. - A B praktikum I. 35. oldalán található leírásától eltérően a kapilláris sugarát az egyenletből a víz aktuális (a mérési hőmérséklethez tartozó) felületi feszültség és sűrűség adataival számítsuk! - A mért γ (c) adatokból a Γ felületi többletkoncentrációt a Gibbs-féle izotermaegyenlet (1.160 egyenlet a B Praktikum I. (1988) 34. oldalán) linearizált alakjából egyenes illesztéssel határozzuk meg! A Gibbsegyenletben a változókat szeparálva (dγ = R T Γ dlnc) és feltételezve, hogy Γ független a koncentrációtól, könnyen adódik a linearizált határozatlan integrál alak: γ = R T Γ ln(c) + konstans A felületi többletkoncentráció meghatározásához ábrázoljuk a γ felületi feszültséget az ln(c/(mol dm 3 )) függvényében! Γ értékét az illesztett egyenes meredekségéből határozzuk meg! Belátható, hogy a Γ értéke SI mértékegységben adódik (mol m ). Az eredményt számítsa át mol cm egységbe is! Számítsa ki Γ hibáját is az A Praktikum 3.3. fejezete és a mintapélda alapján. Ábrázoljuk a γ felületi feszültséget a c koncentráció függvényében is! A pontokra az előzőleg meghatározott paraméterek segítségével rajzoljuk fel az illesztett függvényt. (Például az ORIGIN 6.0 verzió Graph menüpontja Add function graph parancsának alkalmazásával. Ekkor a γ - c ábrázolás pontjait (utóbbi új grafikonablak, új Graph!) a Graph/Add Function Graph lenyomása után bejövő ablakban az F1(x) = A + B*ln(x) függvény szerint rajzoltassuk fel, ahol az A, illetve B a.1. pontban illesztett egyenes tengelymetszet-, illetve meredekség-paramétere, x pedig a koncentrációt jelöli az Origin számára (nem szabad megváltoztatni!). Beadandó mérési eredmények: 0. A készülék jele és neve, a mérés hőmérséklete. 1. desztillált víz: a sűrűsége és felületi feszültsége a mérés hőmérsékletén; h(átlag) / m, kapilláris sugara / m. oldatsorozat: táblázatban összefoglalva V i-butanol / cm 3 c / mol dm 3 h(átlag) / m pγ / Pa γ / N m 1 A Γ meghatározásához használt grafikon, valamint Γ értéke mol m és mol cm egységben és hibájuk 95%-os konfidencia intervallum választásával. A felületi feszültség koncentrációfüggését mutató grafikon az illesztett függvényt is rárajzolva. 3. ismeretlen oldat: az oldat sűrűsége, a felületi feszültség értéke. Irodalom - A Praktikum: Szalma József, Láng Győző, Péter László: Alapvető fizikai-kémiai mérések és a kísérleti adatok feldolgozása, ELTE Eötvös Kiadó, B Praktikum: Farkas József, Kaposi Olivér, Mihályi László, Mika József, Riedel Miklós, Bevezetés a fizikai kémiai mérésekbe, I és II. kötet, Szerk. Kaposi Olivér, Tankönyvkiadó, Budapest, Bencze László 014. évi leírása alapján Zsély István

5 B1.17 Felületi feszültség meghatározása sztalagmométerrel. A Szyszkowski egyenlet, illetve a Traube-szabály tanulmányozása Hallgatói kiegészítés 016 őszi félév A felületi feszültség mérések fő leírását a B Praktikum, I. kötet 8-38 oldalain találják, de a mérés végrehajtására vonatkozóan ez a kiegészítő leírás mérvadó. A sztalagmométert (SZM) nem kell átmosni krómkénsavval, ha a csiszolt lapjához nem értek hozzá. A kísérlethez x desztillált vizet használnak. Tilos a SZM csiszolt lapját játékból ujjal megérinteni, különben a rávitt zsírréteget csak krómkénsavval lehet eltávolítani! A zsíros lap nedvesedése, így a rajta függő cseppek mérete is másmilyen. 0 csepp tömegét mérjék meg! Öt párhuzamos mérést végezzenek! Ha azonban a szórás 3-4 párhuzamos mérés esetén nagyon alacsony, akkor nem kell további párhuzamos méréseket végezni! A soron következő oldat mérése előtt a SZM-t ötször mossák át a mérendő oldattal! Ha nem mossák át a SZM-t megfelelően, akkor előfordulhat, hogy 5 párhuzamos mérés sem lesz elég, mert a csepptömegek monoton változást fognak mutatni. A SZM betűjelét írják fel a jegyzőkönyvbe (A, B, C)! Javasolt mérési sorrend: Két hallgató-pár: x deszt. víz, ismeretlen oldat, a három monokarbonsav-oldat (hangyasav, ecetsav, propionsav) csepptömegének mérése. Harmadik hallgató-pár: x deszt. víz, ismeretlen oldat, 0,375 M ecetsavoldat, 0,75 M ecetsavoldat, 1,5 M ecetsavoldat. Utóbbi hallgató-pár a hígításokat a mellékelt db pipetta és db 100 cm 3 -es mérőlombik segítségével (5, illetve 50 cm 3 1,5 M ecetsav 100 cm-re kiegészítve) x deszt. vízzel végezze! Jegyezzük fel a mérés hőmérsékletét! Jótanácsok: A SZM csiszolt lapját állítsuk vízszintes helyzetbe, ha ettől eltérő helyzetben van! A folyadékot fecskendő segítségével szívjuk fel az SZM hasas része feletti kezdő osztásjelig (ez a befogó alját jelenti)! Ezzel elkerülhető, hogy a folyadék az összekötő gumicsőbe érjen. Ha ez mégis megtörténik, akkor öblítsük át újra az sztalagmométert legalább 5-ször! Igyekezzünk lassú csepegési sebességet beállítani, egy csepp leszakadásának ideje optimálisan 5-10 másodperc legyen! Igyekezzünk minden oldat esetén ugyanezt a sebességet megtartani! Az oldatokat kb. azonos osztásjeltől engedjük le a SzM-ből! Tartsuk a mérőedényt a csepegéshez közel, hogy elkerüljük a szétfröccsenés okozta tömegveszteséget! A tömegmérés előtt helyezzük rá a mérőedényre a tetejét! Ha a mérőedény csiszolata bármilyen okból kifolyólag nedves lesz, és már rátették az edény tetejét, akkor a tető levételekor az azon levő folyadék különösen a tető asztalra helyezésekor lefolyhat, így tömegveszteséget, mérési hibát okozhat. A csiszolatos részt ezért érdemes szárazon tartani! Ha már túl sok folyadék gyűlt össze a mérőedényben, akkor az edény mérleghez szállításakor - a folyadékminta hullámzása miatt - a csiszolat benedvesedhet! Beadandó mérési eredmények: 1. Egy csepp átlagos tömege és hibája a vízre és az oldatokra. A hibákat a Student-féle t-próba segítségével, 95%-os konfidenciaszint választásával számítsák (ld. A paraktikum)!. Az ismeretlen oldat felületi feszültség-értéke és hibája. Mivel γ = γ v (m/m v), ahol m and m v az oldat és a referencia víz csepptömegeit jelölik, γ hibája a Gauss-féle hibaterjedés-törvény segítségével a következőképpen számítható: δm v v m δm δγ = γ + (1) m v mv ahol δm and δmv az oldat és a víz csepptömegeinek hibáját jelölik. A Traube-szabályt tanulmányozó két hallgató-pár által beadandó adatok: 3. A monokarbonsav-oldatok felületi feszültség-értékei (azok hibájával) és a relatív felületifeszültségváltozás ((γ v -γ)/γ v ) értékei. (γ és γ v az oldat, illetve a referencia víz felületi feszültségeit jelölik.). 4. A Traube szabály értelmezése.

6 A víz sűrűsége és felületi feszültsége a hőmérséklet függvényében az 1. táblázatban található. Ha a mérési hőmérséklet nem található a táblázatban, akkor végezzen lineáris interpolációt. 5. A propionsavra számítsa ki Γ értékét T = 88,15 K (15 o C!) hőmérsékleten mol m egységben c = 0,500 M koncentrációt választva az adszorpciós izoterma () egyenletéből (ld. lejjebb)! Adja meg Γ értékét mol cm - egységben is! A Szyszkowski-egyenletet tanulmányozó hallgató-pár által beadandó adatok: 3. A 1,5 M, 0,75 M és 0,375 M ecetsavoldatok felületi feszültség-értékei (azok hibájával). 4. Ábrázolja a γv -γ értékeket a koncentráció (c) függvényében! Illesszen a pontokra a Szyszkowskiegyenlet alapján ( γ = γ v γ = A ln(1 + Bc) ) - nemlineáris illesztést választva Aln(1+Bc) alakú függvényt az ORIGIN szoftver segítségével! Az Analysis/Non-linear Curve Fit menüpontra klikkelve a bejövő ablakban a Function/New menüpontot válassza! Egy USER nevű új függvényt definiálhatunk. Válasszon db paramétert (P1, P), a Form legyen Equations, majd írja be a Definition mezőbe a y=p1*ln(1+p*x) egyenletet! Az Action/Dataset menüpontban az Assign segítségével definiálja a független és függő változókat! Majd az Action/Fit menüpontban mindkét változóra adjon meg kezdeti értéket, tartsa meg a Vary parancsot és kezdje meg az iterációt 1 (1Iter.)vagy 10 (10Iter.)lépésenként. Ha nem konvergál, akkor változtasson a kezdeti értékeken! Ha már nem változnak a változók értékei, akkor nyomja meg a DONE parancsot! Ekkor az illesztett függvény is ábrázolva lesz. A Kapott Error értékek még csak szórások, azokból a valódi hibát 95%-os konfidencia-intervallumot és szabadsági fokot választva (4 adatpont, a (0,0) pont is legyen adatpont!) számítsa ki! Adja meg a kapott A és B értékeket a hibájukkal együtt! A hibaszámítás részletes leírását az A Praktikum oldalain találhatja meg. Megjegyzés: A Szyszkowski-egyenletben ( γ = γ v γ = A ln(1 + Bc), B Praktikum I. (1988) 1.16 egyenlet) az egymást követő alifás karbonsav-homológok B konstansainak aránya csak átlagosan teljesíti az alábbi összefüggést. Ezért a Praktikum és egyenlete helyesen: Bn + 1 c 3,4 (1.163.) és γ ( c ) ( n n γ n+ 1 ) (1.164.) Bn 3,4 A sorozat első három tagjára az 1.16 egyenletben szereplő A konstans közel azonos értékű, ezért az azonos c felületi feszültségű oldatok koncentrációarányára a n 3, 4 kifejezés megfelelő közelítésnek bizonyul. cn+ 1 Az n > 4 szénatom-számtól a B konstansok arányára az egyenlet továbbra is jó közelítés, de az A konstans szisztematikusan kissé nagyobb értéke miatt a koncentrációarány is nagyobb kell, hogy legyen. A felületi többlet-anyagmennyiség koncentrációfüggését kifejező Gibbs-féle adszorpciós izoterma egyenletet a Szyszkowski-egyenlettel kombinálva (B Praktikum I és 1.16 egyenletei) a következő összefüggést kapjuk: A c Γ = () RT 1/ B + c Propionsavra az A = 0,00964 N m 1 és a B = 8,93 dm 3 mol 1 88,15 K hőmérsékleten. Irodalom - A Praktikum: Szalma József, Láng Győző, Péter László: Alapvető fizikai-kémiai mérések és a kísérleti adatok feldolgozása, ELTE Eötvös Kiadó, B Praktikum: Farkas József, Kaposi Olivér, Mihályi László, Mika József, Riedel Miklós, Bevezetés a fizikai kémiai mérésekbe, I és II. kötet, Szerk. Kaposi Olivér, Tankönyvkiadó, Budapest, Bencze László

7 1. táblázat A víz sűrűségének és felületi feszültségének hőmérsékletfüggése T / C ρ / (kg/m 3 ) γ / (N/m) 1 999,87 0, ,93 0, ,99 0, ,00 0, ,99 0, ,97 0, ,93 0, ,88 0, ,81 0, ,73 0, ,63 0, ,5 0, ,40 0, ,7 0, ,13 0, ,97 0, ,80 0, ,6 0, ,43 0, ,3 0, ,0 0, ,80 0, ,57 0, ,3 0, ,07 0, ,81 0, ,54 0, ,6 0, ,97 0, ,67 0, ,06 0, ,4 0, ,5 0,06860