PARACHORA. Ćwiczenie nr VI. I. Cel ćwiczenia. II. Zagadnienia wprowadzające

Transkrypt

1 Ćiczeie r VI PARAHRA I. el ćiczeia elem ćiczeia jest eksperymetale yzaczeie parachor la ybraych cieczy oraz poróaie ich z parachorami yzaczoymi przez sumoaie parachor atomó i iązań. II. Zagaieia proazające 1. Siły kohezji, promień oziałyaia cząsteczkoego.. Defiicje apięcia poierzchioego: a) za pomocą siły (jeostka), b) za pomocą pracy (jeostka). 3. ZaleŜość apięcia poierzchioego cieczy o temperatury.. Metoy pomiaru apięcia poierzchioego: a) metoa kapilarego ziesieia, b) metoa kroploa (stalagmometrycza), c) metoa maksymalego ciśieia baiek, ) metoa oryaia pierścieia (tesjometrycza). 5. Parachora. 6. Aytyość. Literatura oboiązująca: 1. J. ścik, Asorpcja, PWN Warszaa, 1979, str ; E. T. Dutkieicz, Fizykochemia poierzchi, WNT Warszaa, 1998, str Ćiczeie r VIII, część teoretycza, rozz. III J. Demichoicz-Pigoioa, bliczeia fizykochemicze, PWN Warszaa, 198, str A. Daek, hemia fizycza, PZWL Warszaa, 197, str. 5.

2 Ćiczeie r VI Parachora III. zęść teoretycza III. 1. ZaleŜość apięcia poierzchioego o temperatury ZaleŜość apięcia poierzchioego o temperatury poał Eötvös, którą moŝa przestaić astępująco: ( T T ) / 3 γ V = k (1) m / 3 gzie: V m moloa objętość cieczy; V m poierzchia kuli 1 mola cieczy; T temperatura krytycza ( tej temperaturze zaika meisk pomięzy cieczą i jej parą); k spółczyik proporcjoalości, który ma praie stałą artość la iększości cieczy ieasocjujących yoszącą,110 7 J/K (ymiar eergii a keli, Ŝul/kelvi). W przypaku cieczy ulegających asocjacji, p. oa, alkohole, kasy orgaicze, amiy i ie stała k jest zaczie miejsza. Poróaie tych artości umoŝliia oszacoaie stopia asocjacji. ZaleŜość apięcia poierzchioego γ o temperatury jest liioą fukcją o spółczyiku ujemym, tz. raz ze zrostem temperatury apięcie poierzchioe maleje. Napięcie poierzchioe zaleŝy o eergii przyciągaia mięzycząsteczkoego. Wraz ze zrostem temperatury zrasta eergia kietycza cząsteczek cieczy, czyli iększa liczba cząsteczek jest przeoszoa z fazy objętościoej o fazy poierzchioej (z głębi fazy a jej poierzchię). Poouje to ziększeie poierzchi cieczy, któremu opoiaa zmiejszeie apięcia poierzchioego. Ramsay i Shiels stierzili, Ŝe apięcie poierzchioe zaika juŝ pobliŝu temperatury krytyczej i zmoyfikoali róaie Eötvösa przestaiając je postaci: / 3 m ( T T 6) γ V = k () III.. ZaleŜość apięcia poierzchioego o gęstości cieczy Baczyński oraz McLeo poali empiryczą zaleŝość mięzy apięciem poierzchioym cieczy i jej gęstością: gzie: c stała; c gęstość cieczy, a p gęstość pary. γ = c( c p ) (3)

3 Ćiczeie r VI Parachora III. 3. Parachora Sugge 19 r. zaobseroał zaleŝość stałej c róaiu (3) o łaściości strukturalych cząsteczki i latego zapropooał ielkość, którą azał parachorą P: M γ P = c p () gzie: M masa cząsteczkoa. Biorąc po uagę fakt, Ŝe gęstość pary jest pomijalie mała poróaiu z gęstością cieczy róaie () moŝa yrazić postaci: PoieaŜ M P = γ (5) c M = V (6) m c gzie: V m objętość moloa cieczy, róaie (5) przyjmuje postać: P = γ V m (7) Parachorę moŝa ięc traktoać jako objętość moloą cieczy popraioą zięki uzglęieiu efektu ziałaia sił poierzchioych. Dla aej substacji parachora jest ielkością praktyczie iezaleŝą o temperatury. NaleŜy oa o ielkości aytyych, to zaczy jej ielkość la aego ziązku jest sumą parachor atomó i iązań cząsteczce zgoie z róaiem: Pa + P = P + Pp (8) którym: P a, P i P p ozaczają opoieio parachory atomó, iązań i pierściei cząsteczce aego ziązku, a ich liczbę. Fakt te moŝa peych przypakach ykorzystać o ustaleia struktury ziązkó orgaiczych, yzaczając ich parachorę sposób określoy róaiem (5) lub (7) i poróując otrzymaą artość z artością zalezioą przez sumoaie parachor, ystępujących propooaych la aego ziązku zorach strukturalych. Struktura, la której parachora obliczoa z róaia (5) ma artość ajbarziej zbliŝoą o zalezioej ośiaczalie z pomiaru apięcia poierzchioego, gęstości i masy moloej jest ajbarziej praopooba, p. sumaryczemu zoroi H 6 moŝa przypisać zory: H 3 H i H 3 H 3, tz. zór alkoholu etyloego lub eteru imetyloego. PoieaŜ parachory 3

4 Ćiczeie r VI Parachora P, P H 3, P H i P są róŝe, ięc przez poróaie parachory yzaczoej ośiaczalie z parachorą obliczoą (artości parachor są stabelaryzoae) moŝemy baaemu ziązkoi przypisać łaściy zór. (Przykła: A. Daek, hemia fizycza ) Zając apięcie poierzchioe ziązku o zorze sumaryczym 5 H 8 (γ = 0,033 N/m) oraz gęstość ( = 1, kg/m 3 ), ustalić która z poaych iŝej struktur jest łaścia: a) czy b)? a) H b) H H H H 3 H 3 Wyliczając parachorę z aych ośiaczalych postaioych o róaia (5) otrzymamy: kg m kmol s 3 P = / ( ) = Korzystając z reguły aytyości i róaia (8) la struktury a) otrzymuje się parachorę astępujący sposób: artość parachory la 5 atomó ęgla 5 x 8,5 10 =, artość parachory la 8 atomó ooru 8 x 30, 10 = 3, 10 artość parachory la atomó tleu x 35,6 10 = 71, 10 artość parachory iązaia poójego 1 x 1,3 10 = 1,3 10 artość parachory pierścieia pięcioczłooego 1 x 15,1 10 = 15,1 10 P = 13, kg m kmol s a la struktury b) artość parachory la 5 atomó ęgla 5 x 8,5 10 =,5 10 artość parachory la 8 atomó ooru 8 x 30, 10 = 3, 10 artość parachory la atomó tleu x 35,6 10 = 71, 10 artość parachory iązań poójych x 1,3 10 = 8,6 10 P = 39, kg m kmol s

5 Ćiczeie r VI Parachora Z poróaia artości parachor obliczoych teoretyczie i yzaczoych ośiaczalie yika, Ŝe łaścią strukturą la baaego połączeia jest struktura a). III.. Metoa kroploa (stalagmometrycza) pomiaru apięcia poierzchioego Jest to jea z ajokłaiejszych i ajbarziej ogoych meto pomiaru apięcia poierzchioego. Polega a yzaczeiu masy kropli (lub jej objętości) ypłyającej z rurki kapilarej stalagmometru z płaskim lub stoŝkoym końcem. Postaą o opracoaia tej metoy był zór Tate'a, iąŝący cięŝar kropli W z apięciem poierzchioym cieczy γ: W = πrγ (9) gzie: r eętrzy promień kapilary. W rzeczyistości cięŝar kropli W jest miejszy i yosi W, co yika z procesu formoaia się kropli a końcu kapilary. Harkis i Bro proazili spółczyik f, który jest fukcją eętrzego promieia kapilary, objętości oryającej się kropli (v) oraz peej stałej (a) charakterystyczej la aego stalagmometru. W ziązku z tym f = f (r, a, v), a W moŝa przestaić astępująco: W' = πrγf (10) Róocześie W' = mg (m masa kropli, g przyśpieszeie ziemskie), a zatem: m g γ = (11) πr f PoieaŜ m = v, a k = πrf (stała la aego stalagmometru), róaie moŝa zapisać postaci: v g γ = (1) k JeŜeli ze stalagmometru yciekło V cm 3 cieczy, co ało kropli cieczy, to masa jeej kropli yosi m =, czyli: V V g γ = (13) k zęsto pomiary apięcia poierzchioego ykouje się jako pomiary zglęe, przyjmując jako ciecz oiesieia oę, la której apięcie poierzchioe zostało zmierzoe szerokim zakresie temperatur. 5

6 Ćiczeie r VI Parachora 6 Zatem, apięcie poierzchioe la oy yosi: k g V = γ (1) k g V k g V = = γ γ (15) stą: = γ γ (16) gzie:, i γ ozaczają liczbę kropel, gęstość i apięcie poierzchioe cieczy zorcoej oy,, i γ są liczbą kropel, gęstością i apięciem poierzchioym baaej cieczy.

7 Ćiczeie r VI Parachora IV zęść ośiaczala A. Aparatura i oczyiki 1. Aparatura: stalagmometr.. Sprzęt: suszarka, asaka o pipet, aczyńko a ciecz, bibuła. 3. czyiki: aceto, okta, 6 H 1, octa etylu, H 8, izobutylometyloketo, metaol, oa. B. Program ćiczeia 1. Wyzaczeie apięcia poierzchioego baaych cieczy orgaiczych metoą stalagmometryczą poróaczą.. bliczeie a postaie zmierzoych artości apięcia poierzchioego eksperymetalych artości parachor baaych cieczy. 3. bliczeie teoretyczych artości parachor la aych cieczy przez zsumoaie parachor atomó i iązań cząsteczkach tych cieczy.. Ustaleie praiłoej struktury ziązku a postaie zmierzoych apięć poierzchioych.. Sposób ykoaia ćiczeia Metoą stalagmometryczą aleŝy zmierzyć apięcie poierzchioe la astępujących cieczy: acetou, oktau, 6 H 1, octau etylu, H 8, metaolu, izobutylometyloketou i oy. W tym celu aleŝy: stopkę stalagmometru zaurzyć baaej cieczy i apełić stalagmometr cieczą 1 cm poyŝej bańki, po stopkę stalagmometru postaić aczyńko, yzaczyć trzykrotie la tej samej objętości cieczy liczbę kropel ypłyających ze stalagmometru. 7

8 Ćiczeie r VI Parachora Prze proazeiem o stalagmometru baaej cieczy musi być o okłaie umyty, przepłukay acetoem i ysuszoy. D. pracoaie yikó i ioski 1. Korzystając z róaia (16) obliczyć apięcia poierzchioe baaych cieczy. Gęstości baaych cieczy temp. 0 0 zebrae są tabeli I. Napięcie poierzchioe oy temp. 0 0 yosi γ = 7,75 mn/m.. bliczyć parachory baaych cieczy ykorzystując róaie (5) i poróać z artościami otrzymaymi przez zsumoaie parachor atomó i iązań cząsteczkach tych cieczy (róaie (8)), oparciu o ae zaarte tabeli II. Tabela I. Gęstości baaych cieczy temperaturze 0 0. iecz Gęstość, kg/m 3 aceto 0,7899 okta 0,707 6 H 1 0,7791 octa etylu 0,9010 H 8 1,0337 metaol 0,7915 izobutylometyloketo 0,8000 oa 0,999 Tabela II. Parachory atomoe i parachory iązań, [P] 10 kg m kmol s Atom P Atom P Atom P Wiązaie P 8,5 P 67,0 Se 111,1 pojeycze 0 H 30, F 5,7 Si,5 poóje 1,3 H H 0,1 l 96,5 As 89,1 potróje 8,9 35,6 Br 10,9 Sb 117,3 pierścień 9,7 3-człooy N, I 161,8 S 10,9 -człooy 0,6 S 85,7 B 9, Hg 1, 5-człooy 15,1 6-człooy 10,8 estrach i kasach 106,7 3 8

9 Ćiczeie r VI Parachora 3. Wyiki pomiaró i obliczeń zestaić tabeli: Naza substacji Ilość kropli Napięcie poierzchioe [N/m] Parachora kg m kmols 3 eksperymetala obliczoa. Wyciągąć ioski oośie aytyości parachor baaych cieczy. 5. Na postaie zmierzoych artości apięć poierzchioych ziązkó o sumaryczym zorze: a) 6 H 1 b) H 8 ustalić, która z poaych iŝej struktur jest łaścia: 6 H 1 a) b) H 3 H H H H H H 8 a) b) H H H 3 H 9