ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ : Βράνα Γκένις Α . Μ : 3224

ΤΙΤΛΟΣ ΑΣΚΗΣΗΣ : ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΤΑΣΗ ΥΓΡΩΝ

ΣΥΝΕΡΓΑΤΕΣ :Λεωνίδας Βρούλος, Αθανασία Κατσαρού

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ ΑΣΚΗΣΕΩΣ : 3/12/14

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΕΩΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ :10/12/14

ΘΕΩΡΙΑ :

Με τον όρο Επιφανειακή τάση χαρακτηρίζεται μία από τις ιδιότητες της ύλης η οποία και είναι δύναμη που παρατηρείται ως φυσικό φαινόμενο στην επιφάνεια των υγρών.

Η επιφάνεια ενός υγρού παρουσιάζει διαφορετική συμπεριφορά απ'ο΄τι το εσωτερικό του υγρού. Η συμπεριφορά αυτή είναι αποτέλεσμα της μη εξισορροπήσεως των ελκτικών δυνάμεων Van der Waals που εξασκούνται μεταξύ των μορίων του υγρού. Στο εσωτερικό της υγρής φάσης κάθε μόριο υφίσταται την επίδραση ελκτικών δυναμεων από τα περιβάλλοντα μόρια, οι οποίες εξισορροπούνται. Τα μόρια της επιφάνειας, αντιθέτως, υφίστανται τη μονόπλευρη επίδραση ελκτικών δυνάμεων από τα μόρια του εσωτερικού του υγρού με αποτέλεσμα την εμφάνιση μίας συνισταμένης δυνάμεως που δρα σε κάθε μόριο της επιφάνειας και τείνει να ελαχιστοποιήσει την επιφάνεια (στις δυνάμεις αυτές οφείλεται ο σχηματισμός σφαιρικών σταγονών, η δυνατότητα των εντόμων να περπατούν στο νερό κλπ). Η συνισταμένη αυτή δύναμη ονομάζεται επιφανειακή τάση.

Η επιφανειακή τάση εκφράζεται με το συντελεστή επιφανειακής τάσης γ, ο οποίος ισούται με τη δύναμη F που ασκείται πάνω στη μονάδα μήκους l μιας θεωρούμενης γραμμής πάνω στην επιφάνεια του υγρού, ή με το έργο dW που απαιτείται για να αυξηθεί η επιφάνεια του υγρού κατά dS, δηλαδή :

γ = F/I ή γ = dW/dS

Οι μονάδες μέτρησης που προκύπτουν από τις δύο αυτές σχέσεις για το γ είναι (dyn/cm ή N/m) και erg/cm2.

Κατά την προσθήκη διαφόρων ουσιών στο νερό, η επιφανειακή τάση μεταβάλλεται, συνήθως ελαττώνεται (αναφερόμενοι κυρίως στο νερό), λόγω εξασθένησης των δυνάμεων μεταξύ των μορίων. Σημαντική είναι η ελάττωση που προκαλούν οι επιφανειοδραστικές ουσίες ή άλλα οργανικά μόρια. Οι

επιφανειοδραστικές ουσίες είναι ουσίες που το μόριό τους αποτελείται από ένα υδρόφιλο και ένα υδρόφοβο τμήμα και για τον λόγο αυτό ονομάζονται αμφίφιλες. Το υδρόφιλο τμήμα παρουσιάζει υψηλή συγγένεια προς πολικές ομάδες και μόρια όπως το νερό αντιθέτως με το υδρόφοβο Τα μόρια αυτά προστιθέμενα στο νερό κατευθύνονται προς την επιφάνεια και προσανατολίζονται με το υδρόφιλο τμήμα στο νερό, ενώ η υδρόφοβη υδρογονανθρακική αλυσίδα διαφεύγει προς την αέρια φάση με αποτέλεσμα τη δημιουργία αυξημένης συγκέντρωσης στην επιφάνεια που ονομάζεται θετική επιφανειακή συγκέντρωση, Γ, και έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση της επιφανειακής τάσης του διαλυτικού μέσου.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα η προσθήκη (ισο)προπανόλης. Κατά την προσθήκη (ίσο)προπυλικής αλκοόλης στο νερό οι μεν ομάδες -OH έχουν την τάση να εφυδατωθούν σε αντίθεση με τις υδρογονανθρακικές αλυσίδες CH3CH2CH2- που εκτοπίζονται από τα μόρια του νερού. Έτσι τα μόρια της CH3CH2CH2OH συγκεντρώνονται στην επιφάνεια και προσανατολίζονται με την -ΟΗ στο νερό και την υδρογονανθρακική αλυσίδα προς την αέρια φάση.

Σε ορισμένες περιπτώσεις παρατηρείται αύξηση της επιφανειακής τάσεως του ύδατος) , όπως με την προσθήκη ηλεκτρολυτών ή σακχάρου στο νερό. Η συμπεριφορά αυτή αποδίδεται στην τάση των μορίων των ενώσεων αυτών να απομακρύνονται από την επιφάνεια δεδομένου ότι οι ελκτικές δυνάμεις διαλυτού - διαλυμένης ουσίας είναι ισχυρότερες από ότι οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων του διαλύτη.(αρνητική επιφανειακή συγκέντρωση).

Η σχέση που συνδέει την επιφανειακή συγκέντρωση Γ με την επιφανειακή τάση γ καλείται ισόθερμος GIBBS:

Γ = -dγ/δμ

η οποία με λίγη επεξεργασία καταλήγει στην εξής μορφή:

Γ = - 1/RT x dγ/dlnC (1)

Αν η επιφανειακή συγκέντρωση πολλπλασιαστεί με τον αριθμό Avogadro, NA, λαμβάνεται ο αριθμός των προσροφημένων μορίων σε 1 cm2 επιφάνειας, ΓNA. To ανα προσροφημένο μόριο διαθέσιμο εμβαδόν επιφάνειας , Α, θα είναι τότε:

Α = (1/ΓΝΑ) cm2 A=(1016/ΓΝΑ) Å2 (2)

Το εμβαδόν που καταλαμβάνει ένα μόριο στην επιφάνεια, α, βρίσκεται από τη σχέση : π(Α-α) = ΚΤ ή

Α = α +ΚΤ/π (3) όπου η επιφανειακή πίεση π=γδ/τη – γδ/τος (4)

Η επιφανειακή τάση μετριέται με ειδικό όργανο που λέγεται τασίμετρο. Πρόκειται για μία διάταξη που περιλαμβάνει ένα δακτύλιο που επιπλέει στήν επιφάνεια του δείγματος του υγρού. Αυτός συνδέεται κατάλληλα με ένα ζυγό ακριβείας. Έτσι ο υπολογισμός της επιφανειακής τάσης γίνεται με τη μέτρηση της δύναμης που απαιτείται για την απόσπαση του δακτυλίου από την εν λόγω επιφάνεια.

Η δε διαδικασία της μετρησης της επιφανειακής τάσης λέγεται τασιμετρία.

Εμείς χρησιμοποιούμε ένα τασίμετρο du Nouy δακτυλίου. Η μέθοδος du Nouy είναι μία τεχνική με την οποία μετράμε την επιφανειακή τάση ενός υγρού. Η μέθοδος περιλαμβάνει την αργή ανύψωση του δακτυλίου, ο οποίος συνήθως είναι φτιαγμένος από πλατίνα, από την επιφάνεια του υγρού. Η δύναμη που απαιτείται για να ανυψωθεί ο δακτύλιος από την επιφάνεια του υγρου μετρείται και μας δίνει την επιφανειακή τάση του υγρού (γ = F/l)

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ :

1) Παρασκευάσαμε 4 διαλύματα όγκου 10 ml ισοπροπανόλης – νερού με αναλογίες που δίνονται στον πίνακα 1.

2) Τοποθετούμε την ύαλο στη βάση του ζυγού

3) Κρεμάμε το δακτύλιο στο άγκιστρο και μηδενίζουμε το ζυγό. Ο δακτύλιος πλένεται με ακετόνη.

4)Απασφαλίζουμε το ζυγό και βιδώνουμε τη βάση μέχρι να ακουστεί το χαρακτηριστικό <<κλικ>>

5)Τοποθετούμε απιονισμένο νερό στην ύαλο και βυθίζουμε το δακτύλιο μετατοπίζοντας το βραχίονα της βάσης ώστε ο δείκτης ισορροπίας να δείχνει μηδέν.

6)Κατεβάζουμε τη βάση από τον κοχλία και για κάθε απόκλιση του δείκτη ισορροπίας προσθέτουμε το ανάλογο βάρος μέχρι να πετύχουμε πάλι ισορροπία με πολύ μικρά βήματα.

7)Στο σημείο αποκόλλησης διαβάζουμε την ένδειξη φόρτισης του ζυγού στρέψης σε N/ m που αποτελεί την επιφανειακή τάση του δ/τος μας.

8)Επαναλαμβάνουμε τα βήματα 5-7 με τα διαλύματα που έχουμε παρασκευάσει, πλένοντας με απιονισμένο νερό και ακετόνη την ύαλο και τον δακτύλιο κάθε φορά και στεγνώνοντας καλά την ύαλο με πιστολάκι μαλλιών.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ – ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ

Από το μπουκάλι της ισοπροπανόλης πήραμε τις τιμές της πυκνότητας , d= 0.786 g/ml, και του μοριακού βάρους , Mr = 60.1 g/mol.

Έτσι υπολογίζουμε τη συγκέντρωση, για το διάλυμα 1

a) d=m/V m = d x V = 0.786 g/ml x 1 ml = 0.786 gb) n = m/Mr = 0.786g / 60.1 g/mol = 13.1 mmolc) C = n/V = 13.1 mmol / 10 ml = 1.31 mol/L =1.31 M

Ομοίως βρίσκουμε και τις υπόλοιπες συγκεντρώσεις

Πίνακας 1 :Περιέχει τον αρχικό όγκο ίσοπροπανόλης, τον όγκο του νερού, συγκέντρωση παρασκευασμένου δ/τος, τον τελικό όγκο του διαλύματος.

α/α Vισοπροπανόλης(ml) VH2O (ml) Vτελικός (ml) C (M)1 1 9 10 1.312 1.8 8.2 10 2.353 2.8 7.2 10 3.664 3.5 6.5 10 4.58

α/α C (M) lnC γ (Ν/m)Η2Ο - - 0.07351 1.31 0.270 0.04652 2.35 0.854 0.04103 3.66 1.297 0.03404 4.58 1.522 0.0315

Πίνακας 2: Περιέχει τις μετρήσεις της επιφανειακής τάσης, τις συγκεντρώσεις των διαλυμάτων που παρασκευάσαμε, και τις τιμές των νεπέριων λογαρίθμων των συγκεντρώσεων.

Γραφική Παράσταση 1: Γραφική παράσταση της γ έναντι του lnc

Α) Από την καμπύλη της γραφικής παράστασης 1 παίρνουμε δευτεροβάθμια εξίσωση της μορφής y = A +B1x +B2x2

Β) Παραγωγίζοντας ως προς x έχουμε: dy/dx = B1 + 2 B2 x

Γ) Αφού y = γ, x = lnc, B1 = -0.006 και Β2 = -0.003 η σχέση γίνεται

dγ/dlnC = -0.006 -0.006lnC.

Δ) Υπολογίζουμε κάθε lnC. Π.χ lnC1 = ln(1.31) = 0.270

E) Bρίσκουμε τις τιμές dγ/dlnC για κάθε lnC

Π.χ : 1) dγ/dlnC1 = -0.006 -0.006 lnC1 = -0.006 -0.006 x 0.270 = -0.00762

Z) Υπολογίζουμε την επιφανειακή συγκέντρωση από τη σχέση (1) για κάθε dγ/dlnC

Π.χ. Γ1 = -1/RT x dγ/dlnC1 = -3.638 x 10 -4 mol/(N x m) x (-0.00762 N/m)

Γ1 = 2.772 x 10-10 mol/cm2

Η) Ύστερα υπολογίζουμε το ανά προσροφημένο μόριο διαθέσιμο εμβαδόν επιφάνειας , Α, από τη σχέση (2)

Π.χ : Α1 = 1016/(2.772 x 10-10 mol Å2 x 6.023 x 1023 mol-1)

A1 = 59.90 Å2

Z) Τέλος υπολογίζουμε τον όρο 1/π υπολογίζοντας το π που είναι η επιφανειακή πίεση και βρίσκεται από τη σχέση (4)

π.χ: 1/π1 = 1/(γδ/τη –γδ/τος) = 1/(0.0735 – 0.0465) m/N

1/π1 = 37.04 m/N

Πίνακας 3: Περιέχει τους όρους lnC, dγ/dlnC, την επιφανειακή συγκέντρωση Γ,το ανά προσροφημένο μόριο διαθέσιμο εμβαδόν επιφάνειας Α, τη αντίστροφο της επιφανειακής πίεσης 1/π.

a/a

lnC dγ/dlnC (N/m)

Γ (mol/cm2) A (Å2) 1/π (m/N)

1 0.270 -0.00762 2.772 x 10-10 59.90 37.042 0.854 -0.01112 4.045 x 10-10 41.05 30.773 1.297 -0.01278 4.649 x 10-10 35.71 25.324 1.522 -0.01513 5.504 x 10-10 30.17 23.81

Γραφική Παράσταση 2: Α έναντι του όρου 1/π

Η ευθεία που προκύπτει δίνει μια πρωτοβάθμια εξίσωση του τύπου y = 10.90105 + 0.97982 x. Αν αντιστοιχίσουμε αυτήν την ευθεία στην εξίσωση (2) έχουμε:

Α = α + kT/π Α = 10.90105 + 0.97982 (1/π)

Άρα το εμβαδόν που καταλαμβάνει ένα μόριο στην επιφάνεια, α είναι:

α = 10.9 Å2

ΣΧΟΛΙΑ – ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ

1) Απορρίψαμε τις δύο τιμές ( 1 και 4) στην γραφική παράσταση 2 δίοτι παίρναμε αρνητική τιμή για το α, κάτι το οποίο είναι αδύνατο μιας και το α έχει φυσική σημασία ώς εμβαδό. Στις μετρήσεις μας υπήρξε μεγάλο σφάλμα

2) Το μεγάλο σφάλμα αυτό πιθανώς να οφείλεται σε κάποια από τα παρακάτω σφάλματα

α) Κατά την παρασκευή των διαλυμάτων μπορεί να μην έγινε καλή ανάδευση των διαλυμάτων έτσι ώστε να έχουμε ομοιόμορφη κατανομή των μορίων στο διάλυμά μας.

β) Λόγω της μεγάλης ευαισθησίας του οργάνου οι μετρήσεις μας μπορεί να είναι λανθασμένες.

γ) Οι μετρήσεις μπορεί να είναι λανθασμένες και για το γεγονός ότι παίρναμε προσεγγίστικές τιμές στο τέταρτο δεκαδικό ψηφίο, λόγω του ότι η κλίμακα του οργάνου δε μας επέτρεπε να πάρουμε ακρίβεια τέταρτου δεκαδικού ψηφίου.

δ) Λόγω της δυσκολίας στη χρήση του οργάνου, μπορεί να μην έγινε σωστή χρήση από μέρους μας .

ε) Μπορεί να μην πλύναμε και στεγνώσαμε καλά όπου χρειαζότανε

ζ)Μπορεί να παραγεμίσαμε την ύαλο με την ουσία μας.

Η)Πήραμε ως δεδομένο ότι η θερμοκρασία ήταν 298.15 Κ πράγμα που δεν ίσχυε

Θ)Η διιαδικασία των υπολογισμών είχε πάρα πολλές πράξεις και μετατροπές μονάδων με αποτέλεσμα να είναι αρκετά πιθανό να υπάρχουν κάθη σε αυτές.

3) Ο λόγος για τον οποίο τα διαλύματα τοποθετήθηκαν σε ύαλο ωρολογίου είναι για να είναι οριζόντια η επιφάνεια τους .

4) Ο δακτύλιος του ζυγού στρέψης είναι κατασκευασμένος από Pt για να καθαρίζεται εύκολα από οξέα.

5)

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ :

G. R. Somayajulu, Int. J. Thermophys. 9, 559 (1988) “Διεπιφανειακά φαινόμενα και Κολλοειδή συστήματα”, Κ. Παναγιώτου,

Εκδόσεις Ζήτη,Θεσσαλονίκη 1998, Σελ. 11. “Experiments in Physics Chemistry”, D. P. Shoemaker, C. W.

Garland, J. W. Nibler, Mc Graw Hill, 1989.4. “Experimental Physical Chemisrty”, F. A.

Bettelheim, W.B. Saunders Company, 1971 “Experimental Physics Chemistry”, F. Daniels, J. W. Williams,

P. Bender, R. A. Alberty, C.D. Cornwell, and J. E. Harriman, Mc Graw Hill Kogakusha Ltd, 1970.

“Physical Chemistry of Surfaces”, A. W. Adamson, J. Wiley & Sons, 1990.

du Noüy, Pierre Lecomte (1925). "An Interfacial Tensiometer for Universal Use". The Journal of General Physiology 7 (5): 625–633. doi:10.1085/jgp.7.5.625.

Hans-Jürgen; Graf, Karlheinz; Kappl, Michael (2003). "Physics and Chemistry of Interfaces". pp. 14–15.

Δρ.Ε.Ντάλας-Δρ.Α.Χρυσανθόπουλος,“Εργαστηριακές Ασκήσεις Φυσικοχημείας ΙV”, Πάτρα 2011 ,Σελ.54-61

Φυσικοχημεία,Γεώργιος Σ.Καραισκάκης, Πατρα 1998.Σελ 508-509