6. Oldatok felületi feszültségének meghatározása. Előkészítő előadás

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "6. Oldatok felületi feszültségének meghatározása. Előkészítő előadás"

Egon Varga
6 évvel ezelőtt
Látták:

1 6. Oldatok felületi feszültségének meghatározása Előkészítő előadás

Elméleti áttekintés Felületi feszültség: a szabadentalpia függvény felület szerinti parciális deriváltja. Ez termodinamikai definíció. A felületi feszültség nem feszültség dimenziójú!

2 Elméleti áttekintés Felületi feszültség: a szabadentalpia függvény felület szerinti parciális deriváltja. Ez termodinamikai definíció. A felületi feszültség nem feszültség dimenziójú! A definícióból látszik, hogy dimenziója energia / felület. SI mértékegysége J/m². γ = G A T, p, n Molnárpoloskák a víz felületén

3 Elméleti áttekintés Egy másik, szemléltes definícióhoz gondoljunk egy mozgatható keretben kifeszülő szappanhártyára. Növeljük meg a felület nagyságát állandó nyomáson és hőmérsékleten egy l hosszúságú oldalt dx távolsággal történő elmozdításával! Az ekkor végzett munka: dw = Fdx, ahol F az elmozdulás irányába ható erő. Megjegyzés: a felület növeléséhez mindig energiát kell befektetni. Az F erő a felület növelésével ellentétes irányban, a felület síkjában hat. Az egyenletet integrálva és átalakítva: F W = Fx = xl = γa l

Elméleti áttekintés W = Fx = F l xl = γa γ = W A Az egyenlet alapján a felületi feszültség: új felület izoterm, reverzibilis létrehozásához szükséges munka

4 Elméleti áttekintés W = Fx = F l xl = γa γ = W A Az egyenlet alapján a felületi feszültség: új felület izoterm, reverzibilis létrehozásához szükséges munka és a felület nagyságának hányadosa. Ebből a definícióból dimenziója erő / hosszúságnak adódik (ami megegyezik az energia / felület dimenzióval). SI egysége N/m.

5 Néhány anyag felületi feszültsége Néhány anyag anyag/levegő határfelületre vonatkozó felületi feszültsége adott hőmérsékleten: Anyag neve T / C γ / (N/m) víz 25 0,072 víz 100 0,059 higany 15 0,487 benzol 20 0,029 aceton 20 0,024 n-hexán 20 0,018

6 A víz felületi feszültsége a hőmérséklet függvényében

7 Az Eötvös-szabály A felületi feszültség hőmérsékletfüggésére Eötvös Loránd az alábbi összefüggést adta: γv 2 m 3 = k 0 ( T T ) ahol γ a felületi feszültség, V m a moláris térfogat, k az Eötvös állandó, T 0 a kritikus hőmérséklet, T a hőmérséklet. Az egyenlet szerint a felületi feszültség csökken a hőmérséklet emelkedésével és a kritikus hőmérsékleten értéke nullává válik.

8 Az oldott anyagok hatása a felületi feszültségre

9 A Gibbs-féle felületi többlet koncentráció Ha az oldott anyag felhalmozódik a határréteg közelében, akkor a felületi feszültség csökken. Ha a felületi réteg elszegényedik az oldott anyagban, akkor a felületi feszültség nő. Ennek a jellemzésére vezették be a Gibbs-féle felületi többletkoncentrációt: σ ni Γi = A ahol n iσ az i. anyag felületi rétegben megjelenő többlet anyagmennyisége, A a felület nagysága.

10 A Gibbs-féle többletkoncentráció szemléltetése oldószer oldott anyag A görbe alatti terület a többlet anyagmennyiség.

11 A Gibbs-féle adszorpciós izoterma A Gibbs-féle többletkoncentráció és az oldott anyag koncentrációja közötti kapcsolatot egy adszorpciós izoterma írja le: 1 dγ Γi = RT d ln c ahol G i az i. anyag Gibbs-féle felületi többletkoncentrációja, R az egyetemes gázállandó, T a termodinamikai hőmérséklet, γ a felületi feszültség és c i az i. anyag anyagmennyiség koncentrációja. A felületi többletkoncentráció egy különböző koncentrációjú oldatokat tartalmazó oldatsorozat felületi feszültségeinek mérése segítségével meghatározható. i

12 A buboréknyomás mérő berendezés kapilláris csappal zárható tölcsér mintatartó edény manométer folyadéktartály a csepegtetéshez

13 A készülék működése Amikor az A edényben létrehozott nyomáscsökkenés eléri a kapillárison beszívott levegőbuborék maximális görbületi nyomását (buboréknyomás) plusz a bemerülés hidrosztatikai nyomását, a buborék leszakad a kapillárisról. p = h + p γ p m p h a hidrosztatikai nyomás p γ a görbületi nyomás p m a manométeren mért nyomáskülönbség

14 Az egyenletben szereplő nyomások A hidrosztatikai nyomás: p h = ρ g h ahol ρ a mért folyadék sűrűsége g a nehézségi gyorsulás (9,81 ms -2 ) h a folyadék magassága (a kapilláris bemerülési mélységével egyezik meg) A görbületi nyomás: ahol γ a felületi feszültség r a kapilláris sugara A manométeren mért nyomáskülönbség: p m = ρ v g h ahol ρ v a manométerfolyadék sűrűsége (itt víz) g a nehézségi gyorsulás (9,81 ms -2 ) h a manométeren mérhető szintkülönbség p γ 2γ = r

15 A mérés menete A készülékkel relatív mérést végzünk, mert a készülékállandó (~ a kapilláris sugara) csak így határozható meg kellő pontossággal. Ismert felületi feszültségű folyadékkal (a gyakorlaton desztillált vízzel) kalibráljuk a készüléket, azaz meghatározzuk a kapilláris sugarát. Ennek ismeretében más folyadékok felületi feszültsége mérhető/számolható.

16 Behelyettesítés után egyenletünk: A kalibrációnál a mért folyadék a víz (ρ = ρ v ) és a kapilláris sugarát kell kiszámolnunk: Ismeretlen felületi feszültség (γ x ) számolásánál: A számolás menete h g r h g = + v 2 ρ γ ρ ( ) h h g r = v v v 2 ρ γ ( ) h h g r x = x x v 2 ρ ρ γ

17 Gyakorlati tanácsok a méréshez A készülék csiszolatait nedvesíteni kell, hogy jól zárjanak. A mérőkapillárist tisztán kell tartani! Amikor új anyagot kezdünk mérni a kapillárist mossuk le kívülről és belülről is alaposan öblítsük át az új anyaggal vízlégszivattyú segítségével. A kapillárist állítsuk függőleges helyzetbe. A folyadékszintnek akkor kell a felső jelnél lennie, amikor egy buborék éppen leszakad a kapillárisról.

18 A csepegtetési sebesség Elméletileg: minél lassabb, annál jobban megközelíti a felület növekedése az ideális, reverzíbilis esetet. Gyakorlatilag: ha nagyon lassú a buborékképződés, akkor a mérés nagyon sokáig tart. Optimális sebesség: a manométerben a folyadék szintje jól követhető, nagyítóval 0,1-0,2 mm pontossággal leolvasható. Ha a csepegtetés túl gyors, akkor a kialakuló nyomáskülönség NEM a buboréknyomástól fog függni, ezért ezt mindenképpen el kell kerülni!

19 Működés közben Tipikus képek egy működő készülékről. h 1 = 26.3 mm h 2 = -0.5 mm Δh= 26.8 mm

20 Sűrűségmérés Az ismeretlen oldatok sűrűségét Mohr-Westphal mérleggel mérjük. A mérleg működése Archimédész törvényén alapul (azaz ez egy hidrosztatikai mérleg). Archimédész törvénye szerint minden folyadékba vagy gázba merülő testre felhajtóerő hat, amelynek nagysága egyenlő a test által kiszorított folyadék vagy gáz súlyával.

21 Sűrűségmérés A mérleg üvegtestét folyadékba mártva a mérleg kitér egyensúlyi helyzetéből, amelyet fém súlyok (lovasok) felhelyezésével vissza tudunk állítani. A súlyok mérete és elhelyezkedése alapján a folyadék sűrűsége megadható.

22 A sűrűségmérés gyakorlata A legnagyobb lovas a kar végén 1,000 g/cm 3 sűrűségnek felel meg. A súlyok által kifejtett forgatónyomaték a felfüggesztési helytől való távolsággal arányos, így beljebb helyezve őket arányosan kisebb sűrűségnek felelnek meg. Ha a mérleget ismert sűrűségű folyadékra (például vízre) kiegyensúlyozzuk a sűrűségnek megfelelő súlyok felhelyezésével és a mérleg beállításával, akkor az ismeretlen sűrűségű folyadékok abszolút sűrűsége mérhető.

23 A sűrűség értékének leolvasása - példa A legnagyobb lovas a 3-as osztásnál: 0,3 g/cm 3 A közepes lovas a 4-es osztásnál: 0,04 g/cm 3 A kicsi lovas az 5-ös osztásnál: 0,005 g/cm Összesen: 0,345 g/cm 3

24 Az oldatsorozat összeállítása Két mérőhelyenként 6 oldatot állítanak össze 0,2-1,6 cm 3 izobutanolt hígítva 25 cm 3 -re. Az alkoholt óvatosan elegyítsék a vízzel, mert a rendszer habzásra hajlamos! V i-butanol / cm 3 (a) mérőhely (b) mérőhely 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,6 Körülbelül, de pontosan mérjük be a megadott mennyiségeket!

25 Az oldatsorozatra mért felületi feszültségek Ábrázoljuk a mért felületi feszültséget az oldat koncentrációjának függvényében! A felületi többletkoncentráció számolását NEM ez alapján a grafikon alapján végezzük! felületi feszültség (N/m) c / (mol/dm 3 )

26 A felületi többletkoncentráció számítása Ábrázoljuk a mért felületi feszültséget az oldat koncentrációja természetes alapú logaritmusának függvényében! 1 dγ Γ = RT d ln c Illesszünk egyenest a pontokra! γ = ΓRT ln c + konst. felületi feszültség (N/m) Y = A + B * X Parameter Value Error A E-4 B E R SD N P < A meredekségből a felületi többletkoncentráció számítható: Γ = m /( RT) ln(c / (mol/dm 3 ))

27 A felületi többlet számítása minta számolás R = 8,314 J / (mol K), T = 298,15 K m = N/m Γ = ( 0,01151 N/m) /( RT) = 4, mol/m 2 γ = ΓRT ln c + konst. Miért ez a mértékegység? N m / J molk K = N mol mj = N mol m Nm = mol 2 m Váltsuk át az értéket mol/cm 2 mértékegységbe! 1 cm 2 felület 1/10000 része 1 m 2 -nek, így az átváltott érték 4, mol/cm 2.

28 Beadandó eredmények Szintkülönbség ( h (átlag)) a desztillált vízre. A kapilláris sugara (r). Az ismeretlen oldat esetén az oldat sűrűsége. Szintkülönbség ( h (átlag)) az ismeretlen oldatra. A mérés hőmérséklete. Az ismeretlen oldat felületi feszültsége. A vizes i-butanol oldatsorozatra táblázatosan: V i-butanol / cm 3 c/( mol/dm 3 ) h(átl.) / m p görbületi / Pa γ i-butanol / (N/m) A γ - c és a γ - ln c függvények ábrázolása. A felületi többletkoncentráció (Γ ) meghatározása a γ - ln c egyenes meredeksége alapján. Az eredmény megadása mol/cm 2 egységben is.

Hasonló dokumentumok

Folyadékok és szilárd anyagok sűrűségének meghatározása különböző módszerekkel

Folyadékok és szilárd anyagok sűrűségének meghatározása különböző módszerekkel Név: Neptun kód: _ mérőhely: _ Labor előzetes feladatok 20 C-on különböző töménységű ecetsav-oldatok sűrűségét megmérve az