Физическая и коллоидная химия - Северо

ФИЗИЧЕСКАЯ
И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Методические указания
к лабораторной работе
«Определение поверхностного натяжения
и парахор жидкости»
Для студентов направлений подготовки
260100 «Продукты питания из растительного сырья»,
260800 «Технология продукции и организация
общественного питания»
Составители: А. Х. Абрамьян, И. В. Мишенина
Владикавказ 2013
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(государственный технологический университет)
Кафедра химии
ФИЗИЧЕСКАЯ
И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Методические указания
к лабораторной работе
«Определение поверхностного натяжения
и парахор жидкости»
Для студентов направлений подготовки
260100 «Продукты питания из растительного сырья»,
260800 «Технология продукции и организация
общественного питания»
Составители: А. Х. Абрамьян, И. В. Мишенина
Допущено редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического
института (государственного технологического
университета).
Протокол № 24 от 02.07.2013 г.
Владикавказ 2013
1
УДК 544; 544.7
ББК 24.5; 24.6
А16
Рецензент кандидат химических наук,
доцент кафедры "Общая химия" СОГУ Кубалова Л. М.
А16
Физическая и коллоидная химия: Методические указания к лабораторной работе «Определение поверхностного натяжения и парахор жидкости». Для студентов направлений подготовки
260100 «Продукты питания из растительного сырья», 260800 «Технология продукции и организация общественного питания» / Сост.:
А. Х. Абра-мьян, И. В. Мишенина; Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический
университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2013. – 13 с.
УДК 544; 544.7
ББК 24.5; 24.6
Редактор: Хадарцева Ф. С.
Компьютерная верстка: Кравчук Т. А.
 Составление. Северо-Кавказский горно-металлургический
институт (государственный технологический университет),
2013
 Абрамьян А. Х., Мишенина И. В. Составление, 2013
Подписано в печать 26.12.2013. Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 0,76. Тираж 25 экз. Заказ № ____.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный
технологический университет). Изд-во «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
2
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Поверхностное натяжение
Основное свойство поверхности жидкости заключается в ее
стремлении к сокращению до минимальной величины. Это стремление проявляется в сферической форме мелких капель, в натяжении и
стремлении к сокращению мыльных пленок и т. д.
В пределах жидкой фазы каждая молекула окружена другими молекулами и испытывает притяжение во всех направлениях. Таким образом, силы, действующие на молекулу, взаимно компенсируются.
Молекулы, расположенные на границе жидкость – газ, испытывают со
стороны, жидкости притяжение, направленное внутрь и в стороны,
которое не компенсируется со стороны газовой фазы, заключающей в
себе слишком мало молекул. Это приводит к втягиванию поверхностных молекул внутрь и сокращению поверхности жидкости. Сокращение поверхности продолжается до тех пор, пока поверхность не станет
минимальной.
То обстоятельство, что поверхность жидкости сокращается самопроизвольно, указывает на существовании свободной поверхностной
энергии, то есть той энергии, которая способна совершать работу.
Увеличение поверхности требует затраты работы. Величина этой
работы, отнесенная к I см2 поверхности называется поверхностным
натяжением (σ). Размерность σ = эрг/см2 или дина/см (в единицах СИ
– Дж/м2 или Н/м)
С термодинамической точки зрения поверхностное натяжение
есть работа или изменение изобарно-изотермического потенциала системы в результате увеличения поверхности на единицу площади. При
образовании поверхности площадью dS,
dG = σ ∙ dS,
(I)
где dG – изменение изобарно-изотермического потенциала.
Условием самопроизвольного течения процесса, протекающего
при постоянном давлении и температуре является:
dG < 0,
(2)
σ ∙ dS < 0.
(3)
поэтому
3
Таким образом, при постоянном значении σ самопроизвольно могут протекать только те процессы, которые сопровождаются уменьшением поверхности до минимального значения при заданной массе.
Поверхностное натяжение проявляется не только у жидкостей, но
и у твердых тел. Влияние поверхностного натяжения твердых тел
можно заметить во многих свойствах веществ. Например, в кристаллах силы взаимного притяжения частиц в различных направлениях
неодинаковы. Поэтому поверхностное натяжение разных граней кристалла может быть неодинаковым. Именно этим объясняется преимущественное развитие граней с более плотной упаковкой. Вследствие
этого минимальное суммарное значение изобарного потенциала всей
поверхности кристалла достигается при определенном соотношении в
размерах его граней (в отличие от жидкостей, где она достигается при
шарообразной форме тела). Поэтому кристаллам, в отличие от жидкостей, свойственна определенная геометрическая форма.
Очевидно, что с увеличением поверхности тела изобарный потенциал вещества возрастает. Это приводит к тому, что при повышении дисперсности (степени раздробленности вещества или его пористости) уменьшается устойчивость данного состояние и облегчается
переход вещества из данной фазы.
Именно этим и объясняется:
I) давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости всегда меньше, чем над выпуклой (мельчайшей капелькой). В результате этого состояние жидкости с плоской поверхностью является более устойчивым;
2) температура давления очень мелких кристаллов всегда несколько ниже температуры плавленая более крупных;
3) мелкие кристаллы обладают большей растворимостью, чем
крупные. Если кристаллы различного размера находятся в соприкосновении с насыщенным раствором, то более крупные кристаллы будут самопроизвольно расти за счет растворения более мелких.
1.2 Краевой угол смачивания
Капля жидкости на поверхности твердого тела в зависимости от
природы твердого тела, жидкости и среды, в которой она находится,
приобретает вид, изображенный на рис. 1.
Проведем касательную к поверхности жидкости через точку соприкосновения трех сред. Угол θ между этой касательной и поверхностью твердого, тела, отсчитываемый через жидкость, называется
4
краевым углом. На рис. 2 представлены различные случаи равновесия
трех соприкасающихся сред. Твердое тело наполовину погружено в
жидкость, сверху на него помещена капля жидкости, а снизу подведен
пузырек газа.
3
3
2
2
1
1
Рис. 1. Краевой угол в зависимости от условий
смачивания твёрдого тела жидкостью:
1 – твёрдое тело; 2 – жидкость; 3 – газ.
3
3
2
2
2
1
1
3
3
1
3
3
2
2
2
Рис. 2. Различные случаи равновесия 3-х соприкасающихся сред:
1 – твёрдое тело; 2 – жидкость; 3 – газ.
Найдем зависимость краевого угла от природы соприкасающихся
веществ. На единицу длины контура капли, имевшего вид окружности, будут действовать следующие силы:
σ1-2 – сила поверхностного натяжения между твердым телом и
жидкостью;
σ2-3 – сила поверхностного натяжения между жидкостью и газом;
σ1-3 – сила поверхностного натяжения по границе между твердым
телом и газом.
Равнодействующая этих сил при равновесии капли равна нулю,
σ1-2 и σ1-3 направлены в противоположные стороны, σ2-3 направлена
под углом к σ1-3, поэтому условие равновесия капли на поверхности
твердого тела можно представить в виде:
5
σ1-2 + σ2-3 cos θ = σ1-3
cos θ =
13  12
23
(4)
(5)
Если после нанесения капли на поверхность твердого тела равновесие еще не наступило, то равенство (4) не соблюдается. Тогда возможны такие случаи:
σ1-3 > σ1-2 + σ2-3 cosθ
(6)
Капля растекается, покрывая поверхность твердого тела. Примером
может служить растекание воды или спирта по поверхности стекла.
σ 1-3 < σ1-2 + σ2-3 cosθ
(7)
Капля будет стягиваться к центру, угол θ станет возрастать, а
cosθ, проходя через 0 при θ = 90°, станет при дальнейшем увеличении
угла θ отрицательной величиной.
Из рассмотрения этих двух случаев вытекает, что косинус равновесного краевого угла можно принять за меру смачивания. Так как
краевой угол может иметь любые значения между 180 и 0°, смачиваемость тела будет измеряться числом, которое лежит в пределах от –1
(полное несмачивание) до +1 (полное смачивание).
Условие смачивания можно сформулировать также в следующем
виде: исходя из общего условия минимума поверхностной энергии
при равновесии соприкасающихся сред за меру смачивания тела жидкостью можно принять величину убыли поверхностной энергии. Отсюда следует, что из двух жидкостей лучше смачивает данное твердое
тело та, при растекании которой поверхностная энергия системы
уменьшается на большую величину.
1.3 Парахор жидкости
Величина поверхностного натяжения жидкости характеризуется
межмолекулярным взаимодействием, которое, в свою очередь, зависит от характера межатомных и межмолекулярных связей. Связь между строением жидкости и поверхностным натяжением выражается
через парахор.
6
Парахором (Р) называется величина, определяемая равенством:
Р = (σ¼∙ М) / (ρж – ρп ),
(8)
где М – молекулярная масса жидкости;
ρж и ρn – плотность жидкости и ее насыщенного пара.
Как показывают опытные данные, парахор каждого вещества является характерной для него константой и от температуры не зависит.
При температурах, далеких от критической, когда ρж >> ρn равенство (8) можно упростить, пренебрегая ρn:
Р = (σ1/4 М) / ρп.
(9)
Являясь функцией состава и строения молекул, парахор равен:
Р = ∑(n ∙ Pa ),
(10)
где Ра – составляющие инкременты парахора для различного вида
атомов, связей иди группировок;
n – число данного вида атомов, связей или группировок в молекуле.
В таблице 1 приведены инкременты парахора Pа для некоторых
элементов, связей и структурных единиц.
Зная значение парахора, молекулярную массу (М) и плотность
(ρ), из выражения (9 ) легко определить σ.
Однако обычно парахор используется для выяснения наличия
структурных единиц и типов связей в исследуемом веществе. Для
этого эмперически найденное значение парахора из уравнения (10)
сопоставляют с экспериментально найденным значением по уравнению (9) исходя из предположения о тех или иных типах связи и
структурных единицах в исследуемом веществе. Если значения Р,
найденные из (9) и (10), совпадут, значит предположения о химическом строении вещества, заложенные в расчет по формуле (10),
верны. Расчеты по (10) ведут до тех пор, пока очередное предположение о строении вещества не даст величину Р, совпадающую с
найденным по уравнению (9).

Критическая температура – это температура, при которой поверхностное натяжение жидкости становится равным нулю, а плотность жидкости – равной плотности
пара.
7
II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В настоящей работе предлагается рассчитать парахор и поверхностное натяжение ацетона и толуола. Расчетные значения сравнить с
экспериментальными.
2.1 Экспериментальное определение поверхностного натяжения
методом максимального давления в пузырьке
Метод определения поверхностного натяжения по максимальному давлению в пузырьке предложен академиком Ребиндером. Метод
основан на том, что при прохождении воздуха через кончик капилляра, касающегося поверхности жидкости, образуется пузырек. Отрыв
пузырька от капилляра может произойти только при определенном
избыточном давлении, соответствующем определенной величине поверхностного натяжения.
Теоретическое рассмотрение вопроса привело к следующей зависимости:
 = АPr,
(11)
где А – коэффициент пропорциональности;
r – радиус капилляра;
Р – избыточное давление, равное разности между атмосферным
давлением (Рат) и давлением внутри прибора (Рв)
Р = Рат – Рв
Обычно для определения поверхностного натяжения пользуются
стандартной жидкостью, поверхностное натяжение которой при заданной температуре известно. Для двух жидкостей с известным поверхностным натяжением σ и σо при использовании одного и того же
капилляра справедливо соотношение:
σ / σ0 = Р / Ро,
(12)
где σ и σ0 – поверхностное натяжение испытуемой и стандартной
жидкостей;
Р и Р0 – давление отрыва пузырька для испытуемой и стандартной
жидкостей.
Поверхностное натяжение испытуемой жидкости равно:
8
σ = (σ ∙ Р) / Р0.
(13)
В качестве стандартной жидкости обычно принимается вода, поверхностное натяжение которой при 20 °С равно σ0 = 72,75 дин/см.
Определение поверхностного натяжения производится с помощью установки (рис. 3). Испытуемая или стандартная жидкостъ помещается в колбу 1, которая закрывается пробкой с капилляром 2 и
трубочкой 3, соединенной через резиновый шланг с открытым манометром 4 и аспиратором 5. Кончик капилляра должен касаться жидкости. Это достигается перемещением капилляра в пробке.
Выпуская воду по каплям из аспиратора, добиваются равномерного выхода пузырьков из кончика капилляра. Необходимое для этого
избыточное давление Р определяют по показаниям манометра 4.
Рис. 2.3. Установка академика Ребиндера.
2.2 Определение константы прибора С
Создавая разрежение с помощью аспиратора, замеряем перепад
давления Р0, при котором выделяются пузырьки воздуха из стандартной жидкости (воды). Поверхностное натяжение воды зависит от температуры и может быть определено из выражения:
σо = 72,75 + (t – 20 ) ∙ 0,146,
(14)
где t – температура воды, °С (принимается равной температуре воздуха).
9
Константа прибора определится из выражения:
С = σо / Ро.
(15)
2.3 Определение поверхностного натяжения
и парахора толуола и ацетона
1. Замерить перепад давления на манометре при образовании пузырьков воздуха в толуоле и ацетоне. Значение Р берется как среднее
от трех замеров для каждой жидкости.
Поверхностное натяжение испытуемой жидкости равно:
σ = С ∙ Р.
(16)
2. По найденным значениям поверхностного натяжения и формуле (9) рассчитать парахор толуола и ацетона. Экспериментальные значения сравнить с расчетными по инкрементам (10), пользуясь для
этого табл. 1 и 2.
3. Определить относительную ошибку между экспериментальными и расчетными значениями парахора.
4. Результаты экспериментов и расчетные значения определяемых
параметров привести в табл. 3.
Таблица 1
Инкременты парахора
Атомы
Н
Ра
17,1
Атомы
Sb
Ра
66,0
К
Са
С
110,0
68,0
4,8
O
S
Se
20,0
48,2
62,5
Si
N
P
As
25,0
12,5
37,7
50,1
F
Cl
Br
I
25,7
54,3
68,8
91,0
Связь, группировка
Ионная
Ковалентная:
простая
двойная
тройная
Кольца:
3-членное
4-членное
5-членное
6-членное
Пример расчета парахора циклогексана С6Н12:
Р(С6Н12) = 6Р(С) + 12Р(Н) + Р(6-членного кольца) =
= 6 ∙ 4,8 + 12∙ 17,1 + 6,1 = 240.
10
Ра
–1,6
0,0
23,2
46,6
16,7
11,6
8,5
6,1
Таблица 2
Молекулярные массы, структурные формулы
и плотности ацетона и толуола
Таблица 3
Результаты эксперимента
Вода
Ацетон
Толуол
11
Парахор, Р
Рэкспер Ррасч
Относительная
ошибка, %
НаименоДавление
Темперавание жидна манометре,
о
тура, С
кости
h
Поверхностное
натяжение,
σэкспер.
(дин/см2)
Вопросы для самопроверки
1. Дать определения поверхностного натяжения на границе фаз:
а) как избыточной энергии;
б) как работы;
в) как силы.
Каким определением лучше пользоваться, чтобы ответить на следующие вопросы:
1.1. Что больше поверхностное натяжение горячей или холодной
воды на границе с воздухом?
1.2. Что больше поверхностное натяжение ртути или воды на границе с воздухом?
1.3. Что больше поверхностное натяжение бензина, являющегося
смесью неполярных углеводородов, или воды?
1.4. Что больше σ на границе железо/воздух или σ на границе вода/воздух?
1.5. Какая жидкость лучше смачивает гидрофобную поверхность
(например поверхность жирной тарелки, или замасленный воротничок рубашки) чистая вода или мыльная вода?
2. Какая жидкость лучше смачивает гидрофобную поверхность
(например, поверхность масляного насоса, который нужно промыть)
чистая вода или керосин?
3. Почему твердое вещество легче дробить в присутствии ПАВ?
4. Какое соотношение обязано выполняться для любых процессов, самопроизвольно протекающих в поверхностном слое? Приведите вывод этого соотношения.
5. Приведите примеры самопроизвольных процессов, протекающих в поверхностном слое, которые приводят к уменьшению поверхности раздела фаз.
6. Приведите примеры самопроизвольных процессов, протекающих в поверхностном слое, которые приводят к уменьшению поверхностного натяжения на фазовой границе.
7. Что такое парахор?
8. Что такое краевой угол смачивания?
9. Охарактеризуйте условия смачивания и несмачивания, а также поясните, в каком случае будет наблюдаться неограниченное растекание?
10. Опишите метод определения поверхностного натяжения по
Ребиндеру.
12
Литература
1. Зимон А. Д. Коллоидная химия. М.: Агар, 2007. 344 с.
2. Балезин Б. В., Ерофеев Н. И., Подобаев П. Ф. Основы физической и коллоидной химии. М.: Просвещение, 1975. 398 с.
3. Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1988. 400 с.
4. Белик В. В., Киенская К. И. Физическая и коллоидная химия.
М.: Изд. центр «Академия», 2005. 288 с.
5. Кругляков П. М., Хаскова Т. Н. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 2007.
6. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии. М.: Академия, 2006.
240 с.
7. Практикум по коллоидной химии: Учеб. пособие / Под ред.
М. И. Гельфмана. СПб.: Лань, 2005.
13