V. ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА (ПОВЕРХНЕВА ЕНЕРГІЯ, ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ ТА АДСОРБЦІЯ НА МЕЖІ РОЗДІЛУ ФАЗ)

1. ВИЗНАЧЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ

РОЗЧИНІВ МЕТОДОМ ВІДЛІКУ КРАПЕЛЬ

(СТАЛАГМОМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ)

Для роботи необхідні: сталагмометр; пікнометр; стаканчик на 50 мл.

Вільна поверхнева енергія, вірніше, надлишок вільної енергії на одиницю площі поверхневого шару на межі розділу рідина – повітря, називається поверхневим натягом, а на межі розділу рідина – рідина – граничним натягом s.

Одиницями виміру поверхневого натягу може бути Дж/м² у випадку, коли його розглядають як надлишок вільної енергії поверхні розділу двох фаз, що накопичується на цій поверхні за рахунок нескомпенсованих міжмолекулярних сил, і в Н/м у випадку, якщо розглянути роботу утво-

рення одиниці нової поверхні.

Існує декілька методів визначення поверхневого натягу.

Найбільш розповсюдженим методом є сталагмометричний (метод відліку крапель).

В основі методу лежить експериментально встановлене положення, що вага краплі, яка повільно відривається під дією сили тяжіння від кін-

чика вертикальної трубки сталагмометра, буде тим більшою, чим більший поверхневий натяг рідини на межі з повітрям.

Вважається, що сила поверхневого натягу F, що діє вертикально по колу трубки, приблизно рівна F = 2prs, підтримує краплю, зрівноважуючи її вагу P. У момент відриву краплі можна вважати ці сили рівними:

, ,

де F – сила поверхневого натягу; P – сила ваги краплі; s – коефіцієнт пропорційності, який зв’язує силу поверхневого натягу з периметром

(в даному випадку, з довжиною кола капіляру, з якого витікає рідина).

При 2pr = 0,01 м коефіцієнт пропорційності рівний силі поверхневого натягу, тобто .

Визначення радіусу капіляру зв’язане з деякими труднощами і тому практично визначають поверхневий натяг відносно стандартної рідини з відомим поверхневим натягом. Стандартною рідиною може бути тільки така рідина, яка утворює краплі, близькі по об’єму до крапель дослід-

жуваної рідини.

При утворенні краплі сила поверхневого натягу досліджуваної речовини дорівнює F=2p rs (якщо вимірювання проводиться в одному і тому ж сталагмометрі).

Силу поверхневого натягу визначити важко, тому при експеримен-

тальних дослідженнях визначають вагу краплі, яка в момент відриву приблизно дорівнює силі поверхневого натягу.

Сила ваги одної краплі досліджуваної рідини

,

де V_р – об’єм рідини, що витікає з сталагмометра;

ρ – густина рідини;

n – число крапель досліджуваної рідини в об’ємі;

g – прискорення сили земного тяжіння.

Аналогічний вираз при одному і тому ж об’ємі приладу можна записати і для стандартної рідини

.

Беруть співвідношення цих рівнянь

.

А так як

, тоді .

Розв’язавши це рівняння відносно поверхневого натягу досліджуваної речовини, одержуємо розрахункову формулу:

,

де s_о, ρ_o – поверхневий натяг і густина стандартної рідини.

Якщо за стандартну рідину береться вода, то s_о при температурі дос-

ліду беруть з табл. 2, що знаходиться в кінці опису. ρ_o для води приблизно дорівнює одиниці.

При досліджуванні розведених розчинів (розчини ізоамілового спирту) густину ρ також можна прийняти за 1.

Густина концентрованих розчинів хлористого натрію береться з табл. 4, а густина води в залежності від температури – з табл. 3.

При дослідженні чистих рідин їх густину необхідно визначити. n, n_o – число крапель стандартної і досліджуваної речовини, визначається з допо-

могою сталагмометра.

На рисунку схематично зображений сталагмо-

метр. Піпетка має розширену частину 1 і капіляр 2. Рідина, що витікає з сталагмометру, збирається в краплю, що звисає на нижньому, плоскому добре від-

шліфованому кінці сталагмометра. Крапля відри-

вається від поверхні диску в той момент, коли сила ваги її на незначну величину перевищує силу по-

верхневого натягу, що утримує краплю.

Визначення поверхневого натягу зводиться до відліку кількості крапель, що витікають з капіляру.

Через каучукову трубку, що знаходиться на верхньому кінці втягують рідину вище мітки. Відлік крапель починають тоді, коли рідина проходить міт-

ку. Відраховують число крапель від мітки до остан-

ньої краплини.

Спочатку проводять виміри із стандартною рідиною, якщо це вода, то немає необхідності сушити сталагмометр при переході до водних розчинів. Визначення ведуть, починаючи з розбав-

лених розчинів, переходячи до більш концентрованих. Для кожного роз-

чину визначення кількості крапель проводять не менше трьох разів і знаходять середню кількість крапель. З одержаних даних розраховують поверхневий натяг розчинів поверхнево-активних і поверхнево-неактивних речовин. Будують ізотерму поверхневого натягу в координатах .

Результати досліду і розрахункові дані записуються в табл. 1.

Таблиця 1

Таблиця 2

Поверхневий натяг води в залежності від температури

Таблиця 3

Густина води в залежності від температури

Таблиця 4

Густина розчинів NaCl при 293 К

2. ВИЗНАЧЕННЯ ПЛОЩІ ТА ДОВЖИНИ МОЛЕКУЛИ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНОЇ РЕЧОВИНИ

Для виконання роботи потрібно визначити поверхневий натяг декіль-

кох розчинів поверхнево-активної речовини різної молярної концентрації (за вказівкою викладача). Вимірювання поверхневого натягу проводять сталагмометричним методом, як описано вище.

Для визначення величини адсорбції находять різницю величини по-

верхневого натягу s₂ і s₁, які виміряли для двох сусідніх розчинів різної молярної концентрації с₂(Х) і с₁(Х) . Цю різницю s₂ – s₁ = Ds і с₂(Х) – с₁(Х)=Dс(Х) підставляють у рівняння Гіббса:

,

де Г – величина адсорбції, моль/м²;

с(х) – молярна концентрація поверхнево-активної речовини, моль/м³;

R – газова стала, дорівнює 8,31 Дж/моль^.К;

Т – абсолютна температура, К;

σ – поверхневий натяг, Дж/м².

В цьому випадку в якості с(х) беруть середнє арифметичне . Потім розраховують с_ср.(х) і будують графік залежності (вісь ординат) від с_ср.(х) (вісь абсцис). Проводять пряму, за тангенсом кута якої знаходять Г.

Одержані дані заносять в таку таблицю:

Розрахувати площу (S) і довжину (l) молекули поверхнево-активної речовини:

,

де N – постійна Авогадро, дорівнює 6,02×10²³ моль^–1;

Г_max – величина граничної адсорбції, моль/м²;

М(Х) – молярна маса ПАР, кг/моль;

ρ – густина ПАР, кг/м³.

3. АДСОРБЦІЯ ОЦТОВОЇ КИСЛОТИ НА АКТИВОВАНОМУ ВУГІЛЛІ

Ізотерми адсорбції ряду речовин із розчину на поверхні твердого тіла в області середніх концентрацій задовільно описуються емпіричним рів-

нянням Фрейндліха:

, (1)

де Х – кількість адсорбтиву, ммоль;

m – маса адсорбенту, кг;

– величини адсорбції, кмоль/кг;

К і – емпіричні константи, залежні від природи адсорбенту і адсорбативу;

с – рівноважна молярна концентрація адсорбативу, моль/м³.

Величина адсорбції або а розраховується за формулою:

. (2)

Якщо прологарифмуємо рівняння (1), то воно набуде вигляду:

. (3)

Одержане рівняння є рівнянням прямої лінії.

Для визначення К і находять логарифми значень с і і будують графік (див. рисунок: по осі абсцис lgc, а по осі ординат lg). Величина відрізку АО дорівнює lgK. За значенням логарифму находять К. Постійна дорівнює tgα або відношенню довжин відрізків СВ і АВ, тобто .

Методика експерименту

У чотири колбочки вносять по 1 г активованого вугілля і наливають із бю-

ретки по 25 мл розчинів оцтової кис-

лоти різної молярної концентрації (0,05; 0,1; 0,2; 0,4 моль/л). Колбочки пері-одично збовтують близько 20 хвилин. Потім розчини фільтрують через папе-рові фільтри в сухі колбочки, відкидаючи перші 3–5 мл фільтрату (для уникнення похибок за рахунок адсорбції кислоти на фільтрі). Рівноважну молярну концентрацію кислоти у фільтраті визначають титруванням 5 мл розчину розчином NaOH (c(NaOH) = 0,1 моль/л) у присутності фенол-

фталеїну. Кожний розчин титрують 2–3 рази. Потім за формулою (2) розраховують величину адсорбції оцтової кислоти, а також находять lgc i lg. Результати розрахунків заносять у таку таблицю:

Користуючись даними таблиці, будують ізотерму адсорбції оцтової кислоти, при цьому на осі абсцис відкладають рівноважну молярну концентрацію с, а на осі ординат – значення . Постійні К і у рівнянні Фрейндліха визначають, як було вказано, з графіку залежності lg від lgc.

4. ДОСЛІДЖЕННЯ АДСОРБЦІЇ ЗАБАРВЛЕНИХ РЕЧОВИН ІЗ РОЗЧИНІВ

У ряд пробірок помістити по 1 мл розчину з масовою часткою 0,02% метиленової сині, , , золю , конго червоного, водного розчину фуксину і 1 мл спиртового розчину фуксину. Потім додати в усі пробірки по 0,2 г активованого вугілля, перемішувати про-

тягом 2–3 хв і відфільтрувати. Спостерігати зміну забарвлення та пояснити явище адсорбції.

Результати роботи занести в таблицю:

5. ДОСЛІДЖЕННЯ АДСОРБЦІЇ ІЗОАМІЛОВОГО СПИРТУ ІЗ РОЗЧИНУ ЗА ДОПОМОГОЮ АКТИВОВАНОГО ВУГІЛЛЯ

Для роботи необхідно: 0,1 моль/л розчин ізоамілового спирту; сталагмометр; штатив з пробірками; активоване вугілля.

Поверхневий натяг розчину визначити сталагмометричним мето-

дом, описаним в роботі V.1. Потім помістити 10 мл цього розчину у про-

бірку, додати 0,2 г активованого вугілля і перемішувати протягом 2–3 хв. Відфільтрувати розчин і знову визначити його поверхневий натяг. Пояс-

нити, чому він змінився.

6. ВИЗНАЧЕННЯ ПОВНОЇ ОБМІННОЇ ЄМНОСТІ (ОЄ) КАТІОНІТУ

Для роботи необхідно: 0,1 моль/л NaOH; 0,1 моль/л розчин НСl; мірна колба на 250 мл; катіоніт; індикатор.

Обмінна ємність – це кількість еквівалентів (ммоль) речовини адсор-

бованої 1 г адсорбента. У колбу об’ємом 250 мл помістити 1 г катіоніту, додати 100 мл 0,1 моль/л розчину NaOH, перемішати і залишити на

1 годину. Після цього відібрати піпеткою 25 мл розчину і перенести її в колбу для титрування. До проби додати 1–2 краплі індикатора і відтитрувати 0,1 кмоль/м³ розчином НС1 до зміни забарвлення індикатора. Обмінну ємність вираховують за формулою .

7. ВИЗНАЧЕННЯ ВМІСТУ ЛІКАРСЬКОЇ РЕЧОВИНИ (ГЛЮКОНАТУ КАЛЬЦІЮ) В РОЗЧИНІ МЕТОДОМ ЙОНООБМІННОЇ АДСОРБЦІЇ

Для роботи необхідно: глюконат кальцію; Н-катіоніт; 0,1 М розчин NaOH; індикатор метиловий оранжевий.

УВАГА! При роботі з колонкою не допускається проникнення повітря в йоніт. Рівень рідини не повинен опускатися нижче верхнього рівня йоніту.

Через колонку з Н-катіонітом повільно пропускають 20 мл дослід-

жуваного розчину, який містить глюконат кальцію. Потім колонку проми-

ти 25 мл дистильованої води, збираючи її в ту ж колбу. Весь зібраний фільтрат відтитрувати 0,1 М розчином NaOH з індикатором метиловим оранжевим. Вміст глюконату кальцію вирахувати за формулою:

.

8. ОБЕЗСОЛЮВАННЯ ВОДИ ЗА ДОПОМОГОЮ

ЙОНІТІВ

Для роботи необхідно: Н-катіоніт; ОН-аніоніт; оксалат амонію; нітрат аргентуму; піпетка; штатив з пробірками; метилоранж.

Для обезсолювання води взяти воду з водогону. За допомогою якісних реакцій виявити у воді йони хлору (реакцією з AgNO₃) і йони кальцію (реакцією з оксалатом амонію (NH₄)₂C₂O₄).

Через колонку з Н-катіонітом пропустити повільно 25 мл води з водогону, потім промити 25 мл дистильованої води. З отриманого розчину відібрати піпеткою по декілька крапель у 2 пробірки. В 1-й перевірити наявність Са²⁺ (реакція з (NH₄)₂C₂O₄), в 2-й – наявність йонів Н⁺ (ме-

тилоранж). З одержаного попереднього розчину відібрати 25 мл і про-

пустити через колонку з ОН-аніонітом та промити 25 мл дистильованої води. Відібрати в пробірку декілька крапель розчину і перевірити наявність йонів С1^–.

9. РОЗДІЛЕННЯ ЙОНІВ

Fе³⁺, Cu²⁺,Co²⁺ МЕТОДОМ ХРОМАТОГРАФІЇ

НА ОКСИДІ АЛЮМІНІЮ

Для роботи необхідно: А1₂О₃; металевий штатив; розчини CuSO₄, FeCl₃ i CoCl₂.

Колонку з адсорбентом (А1₂О₃) закріпити у штатив і пропустити через неї 1 мл суміші, що складається з рівних об’ємів розчинів CuSO₄, FeCl₃ i CoCl₂ з масовою часткою 0,1. Спостерігати забарвлення розчину. У про-

токолі замалювати шари адсорбенту відповідними кольорами.