ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 10, 11 Поверхностные явления

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 10, 11
Поверхностные явления
Общая цель: Вам необходимо овладеть учебной программой данного занятия и
научиться применять учебный материал в своей будущей профессии.
Сделайте записи в рабочей тетради по плану:

дата;

номер занятия;

тема занятия;

цель занятия;

основные вопросы темы.
Учебные вопросы занятия:
1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение.
2. Адсорбция. Связь адсорбции с параметрами системы: изотерма, изопикна и изостера
адсорбции.
3. Адгезия, когезия, смачивание.
4. Лабораторная работа №5. Измерение поверхностного натяжения водных растворов ПАВ
сталагмометрическим методом
Ваши действия при подготовке к занятию и отработке программы занятия
При подготовке к данному занятию
Повторите тему Тему 1. Термодинамика поверхностных явлений (Модуль
«Физическая химия поверхностных явлений и дисперсных систем») рабочей
учебной программы дисциплины «Физическая химия». Это очень важно, так как
этот материал является базовой основой для получения новых знаний и на нем
строится программа занятия.
При отработке 1-го учебного вопроса обратите внимание на: Общая
характеристика поверхностной энергии. Поверхностное натяжение как мера
энергии Гиббса межфазной поверхности. Свойства поверхностей жидких и
твердых тел. Зависимость энергетических параметров поверхности от
температуры. Процессы самопроизвольного уменьшения поверхностной энергии.
При отработке 2-го учебного вопроса обратите внимание на: Адсорбция и
поверхностное натяжение. Связь адсорбции с параметрами системы: изотерма,
изопикна и изостера адсорбции. Фундаментальное адсорбционное уравнение
Гиббса. Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества.
При отработке 3-го учебного вопроса обратите внимание на: Адгезия,
смачивание и растекание жидкостей. Адгезия и когезия. Природа сил межфазного
взаимодействия. Уравнение Дюпре для работы адгезии. Смачивание и краевой
угол. Связь работы адгезии с краевым углом. Лиофильные и лиофобные
поверхности. Методы определения краевых углов.
При отработке 4-го учебного вопроса обратите внимание на: порядок
выполнения лабораторной работы №5, подготовьте конспект с графиками и
таблицами.
Лабораторная работа № 5.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДНЫХ
РАСТВОРОВ ПАВ СТАЛАГМОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Цель и содержание. Ознакомление с методами измерения поверхностного
натяжения. Построение изотермы поверхностного натяжения раствора ПАВ по
экспериментальным данным и ее анализ.
Опыт 1. ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
СТАЛАГМОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Измерение поверхностного натяжения сталагмометрическим методом
основано на том, что в момент отрыва капли от нижнего конца вертикальной
трубки вес капли q уравновешивается силой поверхностного натяжения F (см.
рис.1), которая действует вдоль окружности шейки капли и препятствует ее
отрыву. В первом приближении можно считать, что F = 2πrσ
где r - внутренний радиус трубки.
При более точном определении а следует учитывать, что разрыв происходит
по шейке капли, которая имеет меньший радиус, чем трубка. Поэтому значение
радиуса r надо умножить на некоторый - коэффициент k, зависящий от отношения
объема капли V к кубу радиуса трубки, k = f(V/r3). Экспериментально показано,
что этот коэффициент не очень сильно меняется при изменении объема капель
даже в 1000 раз. Для капель, сравнительно мало отличающихся по объему, этот
коэффициент можно считать одинаковым. Так как в момент отрыва F = q, то,
определив вес образующейся капли q, можно вычислить
поверхностное
натяжение жидкости σ.
Рис. 1. Схема отрыва капли от конца
Рис.2. Сталагмометр
капиллярной трубки.
Для определения веса капли пользуются сталагмометром, который
представляет собой стеклянную трубку с расширением посредине,
заканчивающуюся внизу капилляром (рис.2). Трубка обычно имеет
горизонтальную коленчатую часть, в которую впаян капилляр для того, чтобы
жидкость капала медленнее. Расширенная часть трубки ограничена двумя
метками. Для измерения поверхностного натяжения в сталагмометр засасывают
исследуемую жидкость выше верхней метки; когда уровень жидкости опустится
до верхней метки, начинают считать число капель n жидкости, вытекающей из
трубки до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет нижней метки. Если
известны объем расширенной части сталагмометра V и плотность жидкости ρ, то
вес капли q можно вычислить по формуле:
q
V g
,
n
(1)
где g - ускорение силы тяжести.
Очевидно, что при отрыве капли должно соблюдаться равенство
 2 
V g
,
n
(2)
Обычно проводят относительное определение σ, сравнивая истечение из
данного сталагмометра исследуемой жидкости и жидкости с известным
поверхностным натяжением. В этом случае, написав уравнение (1) для обеих
жидкостей, разделив первое из этих уравнений на втрое и сократив постоянные
величины, получают формулу для расчета:
x
 n
 n
 x  ст или  x   ст x  ст
 ст  ст n x
 ст n x
(3)
В этих уравнениях индекс х относится к параметрам исследуемой жидкости,
а индекс ст - к параметрам жидкости с известным поверхностным натяжением.
Если стандартной жидкостью является вода, величину nст называют
«водяным числом» сталагмометра. Значение σст для воды при 20°С равно 72,7
эрг/см2.
При измерении сталагмометром поверхностного натяжения растворов
эмульгаторов, смачивателей и моющих средств, имеющих большие молекулы,
необходимо увеличивать время образования капли. В противном случае, если
капля образуется быстро, на ее поверхности из-за медленной диффузии таких
молекул не успевает установиться равновесное значение поверхностного
натяжения. Для подобных растворов измерения проводят при различных, все
уменьшающихся скоростях истечения, пока число капель nx не приобретает
максимальное постоянное значение. Это значение и берут для расчета.
Для увеличения времени образования капли в простейшем случае
пользуются винтовым зажимом, позволяющим изменять просвет каучуковой
трубки (рис.2) и тем самым уменьшить скорость истечения.
При
правильно
выбранном
времени
образования
капель
сталагмометрический метод дает достаточно точные значения поверхностного
натяжения растворов ПАВ.
Аппаратура и материалы.
1. Прибор для определения поверхностного натяжения - сталагмометр.
2. Мерные цилиндры или пипетки емкостью 50 мл.
3. Мерные колбы емкостью 100 мл, 8 шт.
4. Химические стаканы на 100 мл, 2 шт.
5. Дистиллированная вода.
6. Поверхностно-активное вещество, разбавленный раствор.
Методика и порядок выполнения работы.
Из исходных растворов поверхностно – активного вещества
приготавливают в мерных колбах по четыре раствора таких концентраций, чтобы
каждый последующий раствор был вдвое разбавленнее предыдущего.
С помощью прибора, указанного преподавателем, определяют
поверхностное натяжение приготовленных растворов. Предварительно
градуируют прибор по дистиллированной воде. Затем измеряют поверхностное
натяжение растворов поверхностно - инактивного вещества, тщательно
промывают прибор и в последнюю очередь проводят измерения с растворами
поверхностно – активных веществ. Такая последовательность обусловлена тем,
что поверхностно – активные вещества обладают высокой адсорбционной
способностью и наибольшая их примесь может влиять на результаты измерений.
По этой же причине измерения начинают с растворов низшей концентрации.
После окончания работы тщательно промывают прибор (сталагмометр) и снова
проверяют водяное число сталагмометра. Показания приборов по воде в начале и
в конце опыта должны совпадать. Определение для каждого раствора проводят
три раза, и для расчетов берут среднее арифметическое значение. Погрешность
отсчета не должна превышать 1-2%. Необходимые для расчета значения
плотности растворов находят по правилу аддитивности, используя значения
плотности исходных растворов или исходных веществ. Опытные данные
записывают в таблицу:
№
С,
ρ,
Число капель, n
σ,
3
п/п
моль/л
г/см
эрг/см2
n1
n2
n3
nср
По данным опыта строят изотермы поверхностного натяжения и делают
вывод об особенностях растворов поверхностно активных и поверхностно
инактивных веществ.
Опыт 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ
ПОВЕРХНОСТНЫМ НАТЯЖЕНИЕМ И АДСОРБЦИЕЙ
Цель и содержание. Определение адсорбции и основных характеристик
адсорбционного слоя на границе раствор-воздух по экспериментально найденной
изотерме поверхностного натяжения.
Методика и порядок выполнения работы.
Работа выполняется по полученным в опыте 1 экспериментальным данным.
Изотерма поверхностного натяжения поверхностно - активных веществ
представлена на рис.3 (кривая 1). Если в какой-либо точке кривой, например в
точке а, провести касательную к кривой, то как известно, тангенс угла наклона
касательной к оси абсцисс tg φ равен первой производной в этой точке. Из рис. 3
видно, что
z = -catgφ = - ca
d
dc
(4)
где z - отрезок, отсекаемый на оси ординат горизонтальной прямой, проведенной
через заданную точку а, и касательной к кривой в этой точке; с а - концентрация
ПАВ, соответствующая точке а.
Подставляя z в уравнение (4) получаем:
Г=
z
RT
(5)
Рис.3. Построение изотермы адсорбции по изотерме поверхностного натяжения: 1 - изотерма поверхностного натяжения; 2 - изотерма адсорбции.
Определив ряд точек на изотерме поверхностного натяжения отрезки z,
можно по уравнению (5) построить изотерму адсорбции (кривая 2).
По изотерме адсорбции, пользуясь уравнением Ленгмюра:
Г = Гмакс kc ,
1  kc
(6)
можно вычислить предельное значение адсорбции Гмакс, соответствующее
образованию мономолекулярного слоя. Уравнение Ленгмюра можно
преобразовать в уравнение прямой в координатах с/Г и с:
с
1
c


Г Г м акс k Г м акс
(7)
Очевидно, что Гмакс = ctg α, где α - угол наклона прямой к оси абсцисс, а
l/Гмаксk - отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат. Зная Гмакс и l/Гмаксk, находят
значение k.
По известному значению Гмакс определяют площадь молекулы Sмол,
занимаемую ею в адсорбционно - насыщенном слое, и толщину поверхностного
слоя δ. Поскольку Гмакс выражает число молей, адсорбированных в монослое при
предельной адсорбции, то произведение Гмакс∙ NA показывает число молекул,
адсорбированных на поверхности 1 см2. Тогда площадь молекулы Sмол можно
вычислить по уравнению
S м ол 
1
Г м акс N A
,
(8)
где NA - число Авогадро.
Чтобы вычислить толщину поверхностного слоя δ, определяют количество
вещества, адсорбированного на 1 см2 поверхности. С одной стороны, это
количество можно выразить как произведение значения Гмакс на массу 1 моля
вещества М, с другой - как произведение объема слоя площадью 1 см2 и высотой δ
на плотность адсорбтива ρ.
Тогда δρ = Гмакс М откуда

Г м акс М

(9)
Сопоставляя вычисленное значение толщины слоя с длиной молекулы,
известной из ее строения, можно сделать заключение об ориентации молекул
поверхностно - активного вещества в адсорбционном слое. В большинстве
случаев характерна вертикальная ориентация молекул на границе раздела фаз, и
тогда толщина адсорбционного слоя δ совпадает с длиной адсорбированной
молекулы.
Вопросы для защиты.
1. В чем заключается энергетическая и силовая интерпретация поверхностного
натяжения?
2. Почему поверхностное натяжение зависит от температуры?
3. Какие методы определения поверхностного натяжения вы знаете?
4. Что такое поверхностная активность?
5. Какие вещества называются поверхностно-активными и поверхностноинактивными?
6. Что такое адсорбция и в чем отличие Г от Гмакс?
7. В чем состоят основные положения теории мономолекулярной адсорбции
Ленгмюра?
8. Как зависит поверхностное натяжение в гомологическом ряду?
9. На чем основан вывод уравнения Гиббса?
Рекомендуемая литература:
Основная
1.
Беляев, А. П. Физическая и коллоидная химия [Текст] : учеб. для студ. вузов / А.
П. Беляев, В. И. Кучук ; под ред. А. П. Беляева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : ГЭОТАРМедиа, 2012. – 752 с. (15 экз.)
2.
Беляев, А. П. Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс] : учеб. для студ. вузов
/ А. П. Беляев, В. И. Кучук ; под ред. А. П. Беляева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : ГЭОТАРМедиа, 2012. – 752 с. – Режим доступа:
http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970422069.html
3.
Беляев А. П. Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс] : учебник / А. П.
Беляев, В. И. Кучук ; под ред. А. П. Беляева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : ГЭОТАР-Медиа,
2014. - 752 с. – Режим доступа: http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970427668.html
4.
Ершов, Ю. А. Коллоидная химия. Физическая химия дисперсных систем [Текст] :
учеб. / Ю. А. Ершов. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2012. - 352 с. (25 экз.)
5.
Ершов, Ю. А. Коллоидная химия. Физическая химия дисперсных систем [Электронный
ресурс]: учебник / Ю. А. Ершов. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 352 с. – Режим доступа:
http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970424285.html
Дополнительная
1.
Сергеев, В. Н. Курс коллоидной химии для медицинских вузов [Текст] : учеб.
пособие для вузов / В. Н. Сергеев. - М. : МИА, 2012. - 176 с. (1 экз.)
2.
Сумм, Б. Д. Коллоидная химия [Текст] : учеб. для студ. вузов / Б. Д. Сумм. - 4-е
изд., перераб. - М. : ИЦ "Академия", 2013. - 240 с. (10 экз.)
3.
Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс]: учебник / Беляев А.П., Кучук В.И.,
Евстратова К.И. и др. ; под ред. А.П. Беляева. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 704 с.: ил. – Режим
доступа: http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970414415.html
4.
Физическая и коллоидная химия. Руководство к практическим занятиям [Электронный
ресурс]: учебное пособие / под ред. А. П. Беляева 2012. - 320 с.: ил. – Режим доступа:
http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970422076.html
5.
Физическая и коллоидная химия. Задачник [Электронный ресурс]: учеб. пособие для вузов
/ А. П. Беляев, А. С. Чухно, Л. А. Бахолдина, В. В. Гришин ; под ред. А. П. Беляева. - М. :
ГЭОТАР-Медиа, 2014. - 288 с. : ил. – Режим доступа:
http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785970428443.html