Министерство образования Российской Федерации

Министерство образования Российской Федерации

Ухтинский Государственный Технический Университет

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ.

ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА.

АДСОРБЦИЯ

Методические указания

к самостоятельной работе и лабораторному практикуму студентов

по коллоидной химии для направления

553600 Нефтегазовое дело

Ухта 2001

УДК 546(075)

Ц 57

Цивилев Р.П. Поверхностное натяжение. Поверхностно-активные вещества. Адсорбция. Методические указания. – Ухта: УГТУ, 2001. – 21 с.: ил.

Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов и выполнения лабораторной работы по дисциплине КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ.

Методические указания содержат теоретическую и экспериментальную части, контрольные вопросы и приложение. В теоретической части изложена краткая теория изучаемой темы. В экспериментальной части описана методика проведения исследований.

Содержание указаний соответствует рабочей учебной программе.

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой химии от 7.09.2001г., пр. № 1 и предложены для издания Советом специальности от 5.10.2001г., пр. № 2.

Рецензент Хаин В.С., д.х.н., профессор.

Редактор Рудиченко Н.В.

В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.

План 2001г., позиция 15

Подписано в печать 17.12.2001г. Компьютерный набор.

Объем 21 с. Тираж 50 экз. Заказ № 131.

ã Ухтинский государственный

технический университет, 2001

169300, г. Ухта, ул. Первомайская,13.

Отдел оперативной полиграфии УГТУ

169300, г. Ухта, ул. Октябрьская 13

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение

На границе раздела двух несмешивающихся фаз (жидкость - газ, жидкость - жидкость, жидкость - твердое тело, газ - твердое тело) всегда существует избыток свободной энергии, называемой поверхностной энергией (Е_S). Причина возникновения поверхностной энергии заключается в том, что состояние находящихся в поверхностном слое молекул иное по сравнению с молекулами, находящимися в объеме тела.

Молекулы в объеме тела равномерно окружены такими же молекулами, и поэтому их силовые поля полностью скомпенсированы. Молекулы поверхностного слоя взаимодействуют как с молекулами одной фазы, так и с молекулами другой фазы, в результате чего равнодействующая молекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю и направлена внутрь той фазы, с которой взаимодействие больше.

При постоянных температуре и давлении поверхностная энергия Е_S (или свободная поверхностная энергия Гиббса G_s) пропорциональна площади поверхности раздела фаз (S):

Е_S = s´S (1)

Величина s называется поверхностным натяжением. Из уравнения (1) следует, что для индивидуального вещества поверхностное натяжение есть поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности (удельная поверхностная энергия):

s = Е_s / S (2)

В системе интернациональной поверхностное натяжение измеряется в Дж/м².

Так как согласно второму закону термодинамики запас свободной энергии Гиббса любой системы самопроизвольно стремится к уменьшению (dG<0), то для создания новой поверхности требуется совершение некоторой работы А, пропорциональной величине площади поверхности раздела фаз S.

Поэтому в общем случае поверхностное натяжение по физическому смыслу можно рассматривать как работу (А) образования единицы площади поверхности: s = A/S (3)

Для жидкостей существует и другой физический смысл поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение можно рассматривать как силу (F), направленную параллельно к поверхности (тангенциально, по касательной) и приходящуюся на единицу длины (l) периметра, ограничивающего эту поверхность: s = F / l (4)

Тогда поверхностное натяжение в СИ будет измеряться в Н/м².

1.2. Факторы, от которых зависит поверхностное натяжение

Прежде всего, поверхностное натяжение зависит от природы жидкости и природы граничащего с ней тела: чем больше разность полярностей жидкости и граничащего с ней тела, тем больше поверхностное натяжение.

Например, поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом при 25°С равно: гексана С₆Н₁₄ s = 17,9´10^-3 Дж/м² или 17.9 мДж/м²; анилина С₆Н₅NH₂ s = 43,2 мДж/ м²; воды s = 71,95 мДж/ м²; ртути s = 473,5 мДж/м².

Отсюда следует, что поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей (гексан), имеющих слабые межмолекулярные связи, и больше у полярных жидкостей (анилин, вода). Оно больше также у веществ, имеющих межмолекулярные водородные связи, например, у воды.

Наконец, самое большое поверхностное натяжение у веществ с металлическими и ионными связями между частицами: ртуть, расплавы металлов, оксидов, солей и т.д.

Величина поверхностного натяжения на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей тоже зависит от разности их полярностей. Например, поверхностное натяжение воды на границе с бутиловым спиртом равно 1,6 мДж/м², т.е. незначительно, а на границе с октаном С₈Н₁₈ равно 51,0 мДж/м². Объясняется это тем, что молекулы бутилового спирта С₄Н₉ОН, так же как и молекулы воды, полярны. В то же время, молекулы С₈Н₁₈ неполярны. Поэтому разность полярностей на границе вода – бутиловый спирт меньше, чем на границе вода – октан. Следует отметить: чем меньше поверхностное натяжение на границе двух жидкостей, тем больше их взаимная растворимость. При полной взаимной растворимости жидкостей межфазное поверхностное натяжение равно нулю, так как исчезает поверхность раздела фаз.

У твердых тел по сравнению с жидкими межмолекулярные и межатомные взаимодействия больше. Соответственно на границе с воздухом они имеют и очень большое поверхностное натяжение: оксид алюминия Аl₂O₃ s = 905 мДж/м² (при 2123 K); MgO оксид магния s = 1000 мДж/м² (при 298 К): вольфрам W s = 6814 мДж/м²(при 298 К). Видно, что для более тугоплавких веществ значения удельной поверхностной энергии выше.

Поверхностное натяжение жидкостей зависит от температуры и давления.

С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается. Объясняется это увеличением среднего расстояния между молекулами и уменьшением сил притяжения между молекулами. Для большинства неполярных жидкостей эта зависимость (на границе с газом) линейная. При критической температуре поверхностное натяжение жидкости на границе с газом равно нулю (s = 0), так как исчезает граница раздела между жидкостью и газом.

Поверхностное натяжение на границе раздела нефть-вода с повышением температуры (при постоянном давлении) уменьшается. Поэтому с увеличением температуры возрастает их взаимная растворимость.

Повышение давления (при постоянной температуре) приводит к увеличению поверхностного натяжения на границе раздела вода - нефть.

Процесс изменения поверхностного натяжения в системе вода - нефть при одновременном увеличении температуры и давления сложен: поверхностное натяжение может, как уменьшаться, так и увеличиваться и даже оставаться постоянным.

1.3. Поверхностное натяжение растворов.

При растворении в жидкости каких либо веществ на поверхности раздела жидкость – газ появляются молекулы растворенного вещества. В результате изменяется разность полярностей жидкость – газ, поэтому происходит изменение поверхностного натяжения. При этом возможны три случая.

В первом случае, когда растворенное вещество менее полярно, чем растворитель, разность полярностей уменьшается, в результате понижается и поверхностное натяжение. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ).

По отношению к воде ПАВами являются вещества, молекулы которых состоят из двух молекулярных групп - полярной и неполярной.

Полярные группы: – ОН, -СООН, -NН₂, -SН, -О-, – СN, -СНО, -SО₃Н и др.

Неполярная часть молекулы ПАВ состоит из углеводородного или ароматического радикалов: С_nН_2n+1, С₆Н₅. Полярные группы хорошо взаимодействуют с водой (гидратируются), а неполярные - хорошо взаимодействуют с неполярной средой (углеводородами, нефтью и т.д.) По этой причине молекулы ПАВ называют "дифильными"(склонные одновременно к взаимодействию с водой и углеводородной средой). Схематически такую "дифильную" молекулу (рис. 1 и 3) изображают в виде кружка (полярная группа) и волнистой линии или черточки (неполярный радикал).

Рис. 1. Схема молекулы ПАВ

При растворении такого ПАВ в воде его молекулы в поверхностном слое ориентируются полярной группой в сторону более полярной фазы – воды; неполярные группы ориентируются в сторону менее полярной фазы – в сторону газа. Поэтому разность полярностей на границе раздела фаз уменьшается и снижается поверхностное натяжение.

Примеры ПАВ: органические кислоты – С_nН_2n+1СООН, спирты - С_nН_2n+1ОН, мыла, например, стеарат натрия - С₁₇Н₃₅СООNа, сульфокислоты и их соли, например, додецилсульфат натрия - С₁₂Н₂₅ОSО₃Nа, соли аммониевых оснований и т.д.

Если полярная часть молекулы диссоциирует, то ПАВ называются ионогенными, в противном случае – неионогенными.

Второй случай наблюдается, когда растворенное вещество более полярно, чем растворитель. Более полярные молекулы растворённого вещества появляются в поверхностном слое, поэтому разность полярностей жидкость – газ увеличивается, а поверхностное натяжение раствора возрастает. Такие вещества называются поверхностно-инактивными (ПИнАВ).

По отношению к воде к ним относятся все неорганические электролиты – кислоты, щелочи, соли. Из органических веществ к поверхностно – инактивным относятся лишь сильно ионизирующиеся, у которых неполярная группа очень небольшая, например, НСООН – муравьвинная кислота, NН₂СН₂СООН – аминоуксусная кислота.

В третьем случае, когда в жидкости растворяется вещество, полярность которого близка к полярности растворителя, поверхностное натяжение остается практически неизменным. Такие вещества называются поверхностно – нейтральными.

Например, смеси жидких углеводородов (С₇Н₁₆ - С₈Н₁₈), спиртов (СН₃ОН - С₂Н₅ОН). В отношении воды к ним относятся сахара. Хотя следует заметить, что сахара могут быть ПАВ на границе водный раствор – твердая поверхность или другая жидкость.

1.4. Адсорбция на границе жидкость – газ

Взаимодействие между полярными молекулами растворителя и менее полярными молекулами ПАВ (например, Н₂О – С₃Н₇СООН) всегда меньше взаимодействия между более полярными молекулами растворителя (Н₂ О-Н₂ О). Поэтому молекулы ПАВ будут преимущественно выталкиваться из объема раствора на поверхность. В результате концентрация ПАВ в поверхностном слое становится больше, чем в объёме раствора.

Наоборот, взаимодействие между молекулами ПИнАВ и растворителя (например, Na₂ SO₄ – H₂O) всегда больше, чем между молекулами растворителя (Н₂ О-Н₂ О). Поэтому молекулы ПИнАВ стремятся перейти в объем раствора.

В результате концентрация ПИнАВ в поверхностном слое оказывается меньше, чем в объеме раствора.

Самопроизвольное изменение концентрации компонентов системы в поверхностном слое по сравнению с концентрацией в объемах фаз называется адсорбцией.

Адсорбция обозначается греческой буквой Г («гамма»), и измеряется в молях на квадратный метр (моль/м²). Связь между адсорбцией (избытком адсорбированного вещества - Г) в поверхностном слое, концентрацией растворенного вещества (с) и поверхностным натяжением (s) на границе раствор – газ дается уравнением изотермы адсорбции Гиббса (1876):

Г = - , (5)

где с - концентрация ПАВ или ПИнАВ в растворе (моль/м³); R = 8,314 Дж/(моль´К) – универсальная газовая постоянная; Т – температура (К).

Из уравнения Гиббса (5) видно, что при <0 (s уменьшается с увеличением концентрации – растворы ПАВ) адсорбция положительна Г>0, т.е. концентрация растворённого вещества в поверхностном слое больше, чем в объеме раствора.

Если >0 (s возрастает с увеличением концентрации – растворы ПИнАВ), то адсорбция отрицательна Г<0, т.е. концентрация ПИнАВ в поверхностном слое меньше, чем в объеме (см. рис. 2).

Наконец, если поверхностное натяжение не изменяется с концентрацией = 0, то концентрация растворенного вещества в поверхностном слое и в объеме раствора одинакова; адсорбция равна нулю (Г=0, см. рис. 2б – пунктирная линия).

Рис.2. Изотермы поверхностного натяжения (а) и адсорбции (б) водных растворов: 1 - масляной кислоты С₃Н₇СООН; 2 - сульфата натрия Na₂ SO₄.

Величина g = – называется поверхностной активностью. Она служит мерой способности ПАВ уменьшать поверхностное натяжение.

Обычно g вычисляют для случая, когда концентрация ПАВ стремится к нулю g =(– )_с®0. Для ПАВ g> 0, для ПИнАВ g < 0, для поверхностно-нейтральных веществ g=0.

1.5. Влияние на адсорбцию строения и размера молекул ПАВ

При адсорбции ПАВ из водного раствора главную роль играют неполярные группы – углеводородные радикалы. Именно они являются носителями поверхностной активности.

Углеводородные радикалы ПАВ выталкиваются из воды на поверхность (рис. 3), и адсорбция ПАВ положительна (Г>0). Чем длиннее углеводородный радикал, тем сильнее он выталкивается из воды на поверхность, тем выше поверхностная активность ПАВ. Поэтому в гомологическом ряду поверхностно-активных веществ "g" возрастает по мере увеличения длины цепи в 3 - 3,5 раза на одну группу СН₂ (Правило Траубе).

В общем случае поверхностная активность зависит от соотношения неполярных и полярных групп в молекуле ПАВ.

Для молекул с большим числом полярных групп значения "g" невелики и в некоторых случаях близки к нулю (например, сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁).

От соотношения полярных и неполярных групп в молекуле ПАВ зависит и его способность растворяться в воде или нефти. Например, используемые в нефтяной промышленности неионогенные ПАВ оксиэтилированные алкилфенолы могут быть представлены в виде общей формулы

С_nН_2n+1С₆Н₄О – (СН₂ – СН₂ – О)_m–Н (n=8 – 10). Полярной здесь является оксиэтиленовая группа (СН₂ – СН₂ – О).

При m=4 получается промышленный ПАВ (ОП-4), плохо растворимый в воде, но растворимый в керосине. Препараты ОП-7 и ОП-10, в молекулах которых на радикал алкилфенола (С_nН_2n+1С₆Н₄О –) приходится в среднем соответственно 7 и 10 групп окиси этилена хорошо растворяются в воде, но мало растворимы в керосине и маслах.

На рисунке 3 показана схема адсорбционного слоя.

При небольшой концентрации ПАВ молекулы располагаются горизонтально или под углом к поверхности жидкости (рис. 3а). При этом полярные группы остаются в воде, а углеводородные радикалы находятся в газовой фазе (правило уравнивания полярностей Ребиндера).

Рис.3. Схема адсорбционного слоя: а – ненасыщенный Г<Г_¥;

б – насыщенный Г = Г_¥

С увеличением концентрации число молекул ПАВ в поверхностном слое возрастает. Когда вся поверхность воды покроется молекулами ПАВ, образуется насыщенный адсорбционный слой с предельной адсорбцией Г_¥ (рис.3б). Значение s при этом приближается к значению, характерному для чистого жидкого ПАВ на границе с воздухом.

По величине Г_¥ можно рассчитать размеры молекул ПАВ: площадь поперечного сечения полярной группы (см. рис. 1) (6);

и длину молекулы, которая равна толщина адсорбционного слоя , (7)

здесь N_А = 6,02´10 ²³ моль ^-1 (число Авогадро), М – молярная масса ПАВ, r -плотность ПАВ.

Экспериментально установлено, что для всех членов гомологического ряда предельная адсорбция (Г_¥) постоянна. Тогда из уравнения (6) следует, что величина S₀ для членов одного гомологического ряда тоже является постоянной. Действительно, по данным полученным Ленгмюром, для гомологического ряда жирных кислот S₀ = 0,2 нм², для спиртов S₀ = 0,25 нм². Таким способом впервые в истории химии были определены размеры молекул.

На межфазной поверхности молекулы ПАВ тоже ориентируются в соответствии с правилом уравнивания полярностей Ребиндера: полярная группа находится (или примыкает) в более полярной фазе; неполярная – в менее полярной

(см. рис. 4).

Рис.4. Ориентация молекул ПАВ на границе твердое тело - раствор:

а) неполярный адсорбент (уголь) – полярный растворитель (вода);

б) полярный адсорбент (силикагель) – неполярный растворитель (бензол).

1.6. Уравнения Шишковского и Ленгмюра

Б.А. Шишковский (1909) опытным путём вывел зависимость поверхностного натяжения растворов (s) от концентрации ПАВ:

s = s_о - a ln(1 + b с), (8)

где s_о - поверхностное натяжение воды (без ПАВ); с – концентрация ПАВ; a и b - константы, характерные для данного ПАВ.

Дифференцируя уравнение (8), получим:

. (9)

Откуда при с® 0 поверхностная активность равна:

g =(– )_с®0 = a ´ b. (10)

Если подставить (9) в уравнение Гиббса (5), то уравнение изотермы адсорбции примет следующий вид:

Г = = Г_¥ . (11)

Анализ уравнения (11) показывает, что при сравнительно высоких концентрациях раствора, когда bc>>1, адсорбция стремится к предельному значению, отвечающему полному заполнению поверхности раздела фаз молекулами ПАВ: Г_¥ =
(12)

Уравнение (11) было получено для адсорбции газов на поверхности твёрдых тел, и носит название уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра.

Совместный анализ уравнений Гиббса и Ленгмюра позволяет установить физический смысл констант «a» и «b» в уравнении Шишковского.

Константа «a» = Г_¥RT характеризует предельно возможную адсорбцию ПАВ на поверхности. Константа «b» характеризует адсорбционную способность вещества при малых концентрациях раствора. Например, в гомологическом ряду спиртов или алифатических кислот при переходе от одного члена гомологического ряда к другому «b» возрастает в 3-3,5 раза в соответствии с правилом Траубе.

1.7. Поверхностно-активные вещества нефти

Нефть является многокомпонентной смесью углеводородов различного строения с различной молекулярной массой. Основную часть нефти составляют углеводороды метанового С_nН_n+2, нафтенового C_nH_2n или ароматического ряда C₆H₅С_nН_n+1, молекулы которых образованы только атомами водорода и углерода, поэтому они неполярны. Однако нефти содержат и другие вещества, в состав которых, кроме водорода и углерода, входят кислород, сера, азот.

Молекулы этих соединений обладают значительной полярностью, способны концентрироваться на поверхностях раздела фаз и относятся к поверхностно-активным веще­ствам. Наибольшее влияние на поверхностные свойства нефтей оказывают нафтеновые кислоты C_nH_2n-1-(СН₂)_m-СООН, алифатическиекислоты С_nН_2n+1СООН и асфальтосмолистые вещества.

Молекулы нафтеновых, а также алифатических кислот состоят из неполярной части - углеводородного радикала и полярной части - карбоксильной группы, что обусловливает их способность адсорбироваться на границах раздела фаз (нефть - вода, нефть - нефтевмещающая порода).

Нафтеновые кислоты, выделенные из нефтей, представляют собой маслообразные жидкости, мало растворимые в воде, но хорошо растворимые в нефтях и нефтяных фракциях. Натриевые соли нафтеновых кислот малорастворимы в нефтях, но хорошо растворимы в воде. Соли нафтеновых кислот более полярны, чем сами кислоты, и поэтому более поверхностно-активны.

К группе асфальтосмолистых веществ нефти относятся асфальтены, смолы, асфальтогеновые кислоты, карбены, карбоиды. Сами асфальтены и смолы обладают слабой поверхностной активностью, однако адсорбируются на границах раздела фаз, что обусловлено наличием в них металлопорфириновых комплексов. Присутствие их в смолистой части нефтей в незначительных количествах индуцирует, благодаря своей высокой поверхностной активности, адсорбцию смол и асфальтенов на границе раздела фаз.

Породы нефтегазоносных коллекторов имеют огромную удельную поверхность (порядка 10⁵ м²/м³). Вся эта поверхность контактирует с насыщающими пласт веществами - водой, нефтью, газом. Поэтому на многие процессы происходящие в нефтяных пластах большое влияние оказывают поверхностные явления, возникающие в месте соприкосновения различных фаз. Каждое поверхностное явление характеризуется определенной величиной межфазного поверхностного натяжения. Для понимания и умения управлять этими процессами необходимо знать закономерности, которым подчиняются поверхностные явления. Один из способов управления этими процессами - применение ПАВ. В бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин ПАВ применяются очень широко и с разными целями: для увеличения нефтеотдачи коллекторов, вскрытия пластов, предотвращения обвалов при бурении скважин, улучшения условий освоения нефтяных и нагнетательных скважин, повышения их продуктивности и приемистости, предотвращения образования эмульсий в нефтяных скважинах, для деэмульсации нефти, в качестве понизителей вязкости при перекачки нефти, в борьбе с коррозией нефтепромыслового оборудования и т.д.

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Цель работы: 1. Изучить зависимость поверхностного натяжения на границе

раствор – газ от концентрации растворенного вещества.

2. Проверить, как выполняется уравнение Шишковского.

3. Вычислить площадь и длину молекулы ПАВ.

2.1 Определение поверхностного натяжения по методу максимального давления в пузырьке.

Существует ряд методов определения поверхностного натяжения на границе жидкость – газ: метод капиллярного поднятия; метод максимального давления в пузырьке; метод отрыва кольца от поверхности жидкости; сталагмометрический метод.

В методе максимального давления в пузырьке, разработанном академиком П.А. Ребиндером, поверхностное натяжение определяется по величине давления, при котором происходит отрыв пузырька воздуха, выдуваемого в жидкость, через капилляр. Так как поверхностное натяжение есть работа образования или разрушения единицы поверхности, то усилие, затраченное на разрыв пленки пузырька, будет пропорционально поверхностному натяжению.

Рис. 5. Схема прибора Ребиндера.

1-сосуд с исследуемой жидкостью;

2 – капилляр; 3 – аспиратор; 4 – манометр.

Схема прибора Ребиндера показана на рис.5. В сосуд 1 наливается испытуемая жидкость в таком количестве, чтобы кончик капилляра 2 слегка касался поверхности. Для создания разряжения в сосуде 1 применяется водный аспиратор 3. Разряжение достигается сливанием воды через нижний кран аспиратора. За счет разности давлений в капилляре (атмосферное) и в сосуде 1 образуется пузырек воздуха. В момент отрыва пузырька его поверхность максимальна, а величина разряжения измеряемая разностью уровней жидкого манометра 4, пропорциональная поверхностному натяжению

s = k´P (13)

Здесь k – константа, характеризующая данный капилляр; Р – наибольшее (максимальное) давление в момент проскакивания пузырька, пропорциональное разности уровней жидкости в манометре (в мм водяного столба).

Константу "k" легко вычислить, если экспериментально определить максимальное давление Р₀ для стандартной жидкости, поверхностное натяжение s₀ которой известно и равно s₀ = k´Р₀. Откуда k = s₀ / P₀. Подставляя ”k” в (13), получим:

s = k´P = s₀ ´ Р / Ро (14)

В качестве стандартной жидкости можно взять дистиллированную воду, поверхностное натяжение которой хорошо изучено при различных температурах (см. приложение).

2.2. Проведение исследований

В работе требуется изучить, как влияет концентрация ПАВ на величину поверхностного натяжения раствора, найти константы «a» и «b» в уравнении (8), рассчитать адсорбцию ПАВ на границе вода-воздух, определить площадь, приходящую на одну молекулу ПАВ в насыщенном слое, и длину молекулы ПАВ.

Получают у преподавателя или лаборанта раствор ПАВ с известной концентрацией с = 2 моль/литр (2М).

В сосуд наливают пипеткой 20 мл раствора, открывают нижний кран аспиратора 3 и регулируют скорость образования пузырьков.

Важно установить правильный режим образования пузырьков, т.к. от этого зависит точность получаемых результатов. Нельзя допускать очень быстрого их возникновения. Скорость проскакивания пузырьков газа через капилляр должна быть равна примерно 1–2 пузырька за 10 – 20 секунд.

После этого замеряют максимальную разность уровней жидкости в манометре, то есть максимальное давление, которое соответствует медленному и равномерному проскакиванию пузырьков газа через капилляр. Измерения повторяют не менее трёх раз; расхождение между параллельными измерениями не должны превышать 1-2 мм. Затем пипеткой отбирают из сосуда (1) V = 10 мл раствора и добавляют V = 10 мл дистиллированной воды (тоже пипеткой). После разбавления концентрация раствора будет равна 1 моль/л. Снова на приборе Ребиндера измеряют (три раза) максимальное давление пузырька для полученного раствора. Повторяют разбавление не менее 4-х раз и в каждом случае находят среднее значение максимального давления.

Для определения постоянной "k" в уравнении (11) в сосуд 1 (после ополаскивания) наливают V = 20 мл дистиллированной воды и определяют Р₀. Все измерения проводят при постоянной температуре. По формуле (13) или (14) вычисляют поверхностное натяжение растворов. Результаты измерений и вычислений записывают в лабораторном журнале в виде таблицы 1.

Таблица 1. Вещество (ПАВ) ________________ t °С = ____

№ раствора	Концентрация моль/л	Давление Р,мм	Поверхностное натяжение, sэксп, мДж/м^2
Количество измерений
1-е	2-е	3-е	Среднее
	2,00
	1,00
	0,50
	0,25
	0,125
	0 (дистил.вода)

Дальнейшую обработку результатов эксперимента проводят в следующей последовательности.

1. По данным таблицы 1 строят первый график – изотерму поверхностного натяжения (зависимость s от концентрации ПАВ).

2. Находят коэффициенты в уравнении Шишковского (8). Для этого берут на кривой некоторое (ближе к концу) значение поверхностного натяжения–"s ₂" и, разделив отрезок (s₀ – s₂) пополам, определяют значения s₁. Таким образом, разности s₁ и s₂ с s₀ будут отличаться между собой ровно в два раза: s₀ – s₂ = 2(s₀ – s₁).

По графику находят концентрации с₁ и с₂, соответствующие значениям s₁ и s₂.

В результате получается следующая система уравнений с двумя неизвестными "а" и: "b":

.

Решив эту систему уравнений, находят коэффициенты "а" и: "b":

и

3. По уравнению (12) вычисляют значение предельной адсорбции: Г_¥ =
.

4. Затем по уравнению Ленгмюра (11) вычисляют адсорбцию для разных значений концентрации ПАВ и строят второй график – изотерму адсорбции (зависимость "Г" от концентрации ПАВ).

5. По формулам (6), (7) и (10) вычисляют площадь поперечного сечения полярной группы, длину молекулы и поверхностную активность ПАВ.

Все вычисления выполняют в черновике. В отчете результаты измерений и вычислений представляют в виде следующей таблицы:

с, моль/л	Рсред, мм	s эксп, мДж/м^2	s теор, мДж/м^2	Г´10^6,моль/м^2

Здесь s_теор – поверхностное натяжение, вычисленное по уравнению Шишковского (8), найденному в результате исследований.

Делают выводы по результатам исследований: как изменяется «s» с увеличением концентрации ПАВ, какой вид имеет уравнение (8), чему равна поверхностная активность, площадь и длина молекулы ПАВ,

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется поверхностным натяжением и в чем причины его возникновения?

3. В каких единицах измеряется поверхностное натяжение?

4. Каков физический смысл коэффициента поверхностного натяжения?

5. От каких факторов зависит поверхностное натяжение?

6. Как зависит поверхностное натяжение от природы вещества, образующего поверхность?

7. Чем объяснить увеличение поверхностного натяжения на границе с воздухом в следующем ряду жидкостей: гексан - анилин - вода - ртуть?

8. Как и почему зависит поверхностное натяжение жидкостей от температуры и давления?

9. Как изменяется поверхностное натяжение жидкостей при растворении в них каких-либо веществ? Какие вещества называются поверхностно-активными? Поверхностно-инактивными?

10. Почему уменьшается поверхностное натяжение жидкости при растворении в

ней ПАВ?

11. Что называется адсорбцией? В каких единицах она измеряется?

12. Какое строение имеют молекулы ПАВ?

13. Какая величина называется поверхностной активностью? Как она зависит от строения молекул ПАВ? Как "g" изменяется в гомологическом ряду?

14. Нарисуйте общий вид семейства изотерм поверхностного натяжения и адсорбции для гомологического ряда: СН₃СООН, С₂Н₅СООН, С₃Н₇СООН.

4. Библиографический список

1. Малахова А.Я. Физическая и коллоидная химия. Учебное пособие для геол.спец.ун-тов. -Мн.: Выш.школа, 1981.-304с.

2. Кузнецов В.В. Физическая и коллоидная химия. Учеб. для геол.спец.вузов.-М.: Высшая школа. 1968. 3ООс.

3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы).Учеб. для вузов.-М.:Химия, 1982. -4ООс.

4. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Учеб.для вузов2-е изд.перераб. и доп.- Л.:Химия, 1984.-368с.

5. Лабораторные работы и задачи по химии.-Под. ред. Ю.П.Фролова и А.С.Гродского.-М.: Химия, 1986.

6. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. К.П. Мищенко и А.А.Равделя.-Л.: Химия, 1974. 2ООс.

5. ПРИЛОЖЕНИЯ

5.1 Поверхностное натяжение воды на границе с воздухом

Температура, ºС
sж-г, мДж/м^2	73,34	73,19	73,05	72,90	72,75	72,59	72,44	72,28	72,13	71,97

5.2. Физико-химические свойства некоторых органических жидкостей при 20 ºС

Вещество	Плотность, кг/м^3	sж-г, мДж/м^2
Этиловый спирт С2Н5ОН		22,0
Пропиловый спирт С3Н7ОН		23,7
Изопропиловый спирт С3Н7ОН		21,2
Уксусная кислота СН3СООН		27,8
Пропионовая кислота С2Н5СООН		26,7
Масляная кислота С3Н7СООН		27,2

Оглавление

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение……………………..3

1.2. Факторы, от которых зависит поверхностное натяжение…………………4

1.3. Поверхностное натяжение растворов………………………………………6

1.4. Адсорбция на границе жидкость – газ……………………………………..8

1.5. Влияние на адсорбцию строения и размера молекул ПАВ……………….9

1.6. Уравнения Шишковского и Ленгмюра……………………………………12

1.7. Поверхностно-активные вещества нефти…………………………………13

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

2.1 Определение поверхностного натяжения по методу

максимального давления в пузырьке………………………………………15

2.2 Проведение исследований …………………………………………...17

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ…..…………………………………………….19

4. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.……………………………………….20

5. ПРИЛОЖЕНИЯ..………………………………………………………………20

---

Дата добавления: 2015-08-29