ANALIZA SEDYMENTACYJNA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW ANALIZA SEDYMENTACYJNA Opiekun: Miejsce ćwiczenia: Małgorzata Jadamiec Zakład Chemii Fizycznej, Sala 89,90 LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ

2 2 I. CEL ĆWICZENIA W zamierzeniu, ćwiczenie to ma zapoznać studentów z technikami analizy sedymentacyjnej na przykładzie metody z wagą torsyjną. Celem pomiarów jest wyznaczenie rozkładu ziarnowego substancji zadanej w temacie ćwiczenia. II. WSTĘP TEORETYCZNY Określenie szybkości poruszających się cząstek zawiesiny stanowi podstawę analizy sedymentacyjnej, pozwalające na wyznaczenie wielkości cząstek oraz udziału w zawiesinie cząstek o poszczególnych rozmiarach. Najprostsze metody analizy sedymentacyjnej opierają się na obserwacji swobodnego opadania cząstek w nieruchomej cieczy. Cząstki fazy rozproszonej opadające w ośrodku ciekłym lub gazowym poddane są działaniu dwóch przeciwnie skierowanych sił: siły ciężkości G równej pozornemu ciężarowi cząstek 4 G = r 3 ( ς ) g 0 3 ς π (1) oraz siły tarcia f, zgodnie z prawem Stokesa rosnącej proporcjonalnie do szybkości v poruszania się cząstek. f = π η r v 6 (2) Poszczególne symbole w powyższych wzorach oznaczają: r - promień cząstek [m] ς - gęstość cząstek [kg / m 3 ] ς 0 - gęstość ośrodka [kg / m 3 ] g - przyśpieszenie ziemskie [m / s 2 ] η - lepkość ośrodka [N s / m 2 ] Wskutek zrównoważenia się tych sił cząstki poruszają się ze stałą prędkością v równą: r 2 v = 9 ς ς Promień cząstek r można obliczyć ze wzoru: η g 2 0 (3) gdzie K jest wielkością stałą dla danej zawiesiny i wynosi: r = K v (4) K 3 η = (5) 2 ( ς ς ) g 0 Równania powyższe są słuszne dla cząstek kulistych poruszających się równomiernie z niewielką prędkością w ośrodku, który można traktować jako

3 3 nieskończenie duży w stosunku do cząstki opadającej. Zawiesiny rzeczywiste zawierają bardzo często cząstki znacznie różniące się kształtem od kulistych. Przy badaniu takich zawiesin za pomocą analizy sedymentacyjnej, wielkość promienia cząstek wyliczona z równania (4) przedstawia promień wyobrażonych cząstek kulistych, które opadają z taką prędkością jak cząstki badanej zawiesiny. Wyliczony w ten sposób promień nazywamy równoważnym. Pomiaru szybkości poruszania się cząstek dokonujemy w ćwiczeniu metodą wagową opartą na badaniu szybkości nagromadzania się osadu na dnie szalki wagi torsyjnej. Analizę sedymentacyjną zawiesiny, tzn. wyznaczanie wielkości cząstek poszczególnych frakcji zawiesiny i ich procentową zawartość przeprowadza się na podstawie tzw. krzywej osadzania się zawiesiny, która przedstawia zależność przyrostu masy szalki od czasu. Wykres osadzania się cząstek zawiesiny monodyspersyjnej (t. j. zawierającej cząstki rozproszone o jednakowych rozmiarach) przedstawia rys. 1a. Wszystkie cząstki zawiesiny poruszające się ze stałą prędkością v 1 opadną w czasie τ 1, potem nie następuje już przyrost masy szalki. W zawiesinie bidyspersyjnej, składającej się z cząstek o dwóch różnych wielkościach promieni r 1 i r 2 poruszających się z prędkościami v 1 i v 2, wykres osadzania się przedstawia rys. 1b. Do czasu τ 1 szalka opada ze stałą prędkością wskutek osadzania się cząstek obu wielkości. Po tym czasie wszystkie cząstki o promieniu większym (a więc i większej prędkości opadania) osadzą się na szalce i przyrost masy na szalce od tej chwili odbywać się będzie wolniej, gdyż powoduje go osadzanie się cząstek mniejszych. Po czasie τ 1 mniejsze cząstki opadną i masa szalki pozostaje stała. W zawiesinie polidyspersyjnej krzywa osadzania się powinna być linią łamaną o wielu załamaniach odpowiadających kolejnemu całkowitemu wypadaniu ze słupa cieczy na szalkę cząstek o poszczególnych wielkościach. W rzeczywistości otrzymuje się linię krzywą, która po dostatecznie długim czasie staje się równoległa do osi odciętych (rys. 1c). Rys. 1a Krzywa osadzania zawiesiny monodyspersyjnej Rys. 1b Krzywa osadzania zawiesiny bidyspersyjnej Rys. 1c Krzywa osadzania zawiesiny polidyspersyjnej

4 4 III. WYKONANIE ĆWICZENIA Aparatura: Waga torsyjna z szalką na cienkim druciku lub nitce, cylinder szklany. Waga torsyjna przystosowana do pomiarów sedymentacyjnych przedstawiona jest na rys. 2. Pokrętło do odczytu masy szalki [4] Ruchoma skala wagi [5] Waga torsyjna Przełącznik blokady wagi Ramię wagi [3] Cienka nić [1] Cylinder miarowy Zawiesina [2] Szalka [1] na którą opada zawiesina W zestawie tym nić z szalką 1 zanurzona w zawiesinie 2 połączona jest z ramieniem wagi torsyjnej 3. Osadzające się na szalce cząstki powodują zmianę położenia tego ramienia. Pokrętłem 4 sprowadza się ramię dźwigni w położenie pierwotne (równowagowe). Obrót pokrętła 4 powoduje obrót ruchomej skali 5, na której odczytuje się masę osadzonych na szalce cząstek. Odczynniki: Badane substancje tworzące zawiesiny oraz wymienione w temacie ćwiczenia.

5 5 Przygotowanie zawiesiny W kolbie miarowej sporządzamy 500 ml roztworu o zadanym stężeniu soli podanej w temacie. Roztwór przelewamy do zlewki. Odważamy taką ilość analizowanej substancji, aby procentowa zawartość zawiesiny w przygotowanym roztworze soli była równa podanej w temacie. Wsypujemy substancję do zlewki i zagotowujemy w celu usunięcia pęcherzyków powietrza. Zawiesinę oziębiamy do temperatury, w której prowadzić będziemy pomiar (otoczenia), po czym przelewamy do cylindra i uzupełniamy do 500 ml wodą uprzednio gotowaną i ochłodzoną do temperatury otoczenia. Pomiar Zawiesinę w cylindrze bardzo ostrożnie mieszamy bagietką, aby nie powstały pęcherzyki powietrza, a proszek poddawany analizie był równomiernie zawieszony w całej objętości cieczy. Następnie bardzo wolno zanurzamy szalkę wagi uważając, by nie dotykała ścianek cylindra, po czym natychmiast odczytujemy zerowy punkt na skali wagi. Następnie co 15 sekund odczytujemy przyrost masy szalki wskutek osiadania na niej cząstek zawiesiny. Jeżeli w miarę upływu czasu przyrosty masy szalki w odstępach 15sek. są mniejsze niż jedna kreska skali, zwiększamy odpowiednio odstęp czasu pomiędzy kolejnymi odczytami. Pomiar kończymy z chwilą, kiedy przyrosty masy szalki w odstępach 10 min. są mniejsze niż jedna kreska na skali. Odczyty przyrostu masy szalki wykonywane w czasie zapisujemy w tabeli podanej w punkcie (3) niniejszej instrukcji. Po zakończeniu sedymentacji mierzymy głębokość zanurzenia szalki, t.j. odległość szalki od poziomu cieczy w cylindrze (rys. 2). Notujemy również temperaturę, w jakiej prowadzono pomiar. H =...(m) T =...(K) Wzór tabeli wyników i obliczeń Czas opadania cząstek τ (s) Masa osadzonych cząstek m (mg) Szybkość opadania cząstek v (m/s) Promień cząstek r (m) Granice wielkości cząstek Średni promień cząstek r (m) Odcinek odciętych % zawartość frakcji τ 1 m 1 v 1 r 1 r > r 1 r r 1 OA OA τ 2 m 2 v 2 r 2 r 1< r < r r r OC AB AB 2 OC 100

6 6 IV. ZASADY BEZPIECZENSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW UWAGA: W razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia Odczynnik Klasyfikacja Zagrożenia Środki bezpieczeństwa Chlorek wapnia CaCl 2 Kaolin Tlenek glinu Al 2 O 3 C10 substancja drażniąca Xi substancja drażniąca R36 działa drażniąco na oczy S22 nie wdychać pyłu S24 unikać zanieczyszczenia skóry S22 nie wdychać pyłu S22 nie wdychać pyłu substancja działająca drażniąco na skórę, oczy i układ oddechowy nie jest produktem niebezpiecznym w myśl wytycznej 67/548/EEC, nie wdychać pyłu nie jest produktem niebezpiecznym w myśl wytycznej 67/548/EEC, nie wdychać pyłu Przy kontakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody, natychmiast zdjąć zanieczyszczone ubranie. Przy kontakcie z oczami: przepłukać dużą ilością wody przy szeroko odchylonej powiece, skontaktować się z okulistą. Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, spowodować wymioty, natychmiast wezwać lekarza. Przy wdychaniu: zapewnić dostęp świeżego powietrza. Przy wdychaniu: zapewnić dostęp świeżego powietrza. Przy kontakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody, natychmiast zdjąć zanieczyszczone ubranie. Przy kontakcie z oczami: przepłukać dużą ilością wody przy szeroko odchylonej powiece, skontaktować się z okulistą. Przy wdychaniu: zapewnić dostęp świeżego powietrza. Przy kontakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody, natychmiast zdjąć zanieczyszczone ubranie. Przy kontakcie z oczami: przepłukać dużą ilością wody przy szeroko odchylonej powiece, skontaktować się z okulistą. Postępowanie z odpadami można wprowadzić do systemu kanalizacyjnego można wprowadzić do systemu kanalizacyjnego można wprowadzić do systemu kanalizacyjnego

7 7 V. OPRACOWANIE WYNIKÓW Wyniki pomiarów i obliczeń zestawiamy w postaci tabelki załączonej do niniejszej instrukcji. Z danych pomiarowych wykreślamy krzywą osadzania się zawiesiny (rys. 3) i wykonujemy niezbędne obliczenia. Wykres powinien być wykonany starannie na papierze milimetrowym formatu A4. Rysujemy asymptotę do krzywej. Odcinek OC odpowiada masie wszystkich cząstek, które opadły na szalkę wagi. Przez dowolne punkty (np. D i E) prowadzimy styczną AD i BE do krzywej. Punktowi D odpowiada czas τ 1, po upływie którego na szalkę opadły wszystkie cząstki o promieniu większym od r1 = K v1, przy czym v 1 H = (stosunek drogi, jaką τ cząstki przebywają H do czasu). Odcinek OA odpowiada masie cząstek o promieniu OA większym od r 1. Zatem stosunek 100 przedstawia procentową zawartość cząstek o OC promieniu r > r 1. OB Analogicznie stosunek 100 podaje procentową zawartość cząstek o promieniu OC H r > r 2 = K v 2, gdzie v2 = τ 2 OA Z wykresu wynika również, że stosunek 100 przedstawia procentową OB zawartość cząstek o promieniu r zawartym pomiędzy r 1 i r 2. Rysujemy styczne do krzywej osadzania w różnych punktach, wyliczamy odpowiadające H im wielkości promieniu ze wzoru: r1 = K v1, przy czym v1 = τ 2 Stałą K obliczamy korzystając z odpowiednich wielkości szukanych w Kalendarzu Chemicznym lub Poradniku Fizykochemicznym. Następnie oznaczając stosunki odciętych przez styczne na osi rzędnych do całkowitej masy m po bardzo długim czasie, określamy procentową zawartość poszczególnych frakcji w zawiesinie. 1 Uwagi dotyczące wykonywania pomiarów Zawiesiny poddawane analizie sedymentacyjnej nie powinny mieć zbyt wielkich stężeń, gdyż w tych przypadkach odległości między opadającymi cząstkami są zbyt małe i zaznacza się ich wzajemny wpływ na szybkość opadania. W przypadku cząstek o promieniach większych od 50 µm i gęstości większej od 3 [g/cm 3 ] metoda jest niedokładna ze względu na ich zbyt szybkie opadanie. Natomiast, gdy promień cząstek jest mniejszy od 1µm cząstki opadają zbyt wolno, co również wpływa na niedokładność pomiaru. Prądy konwekcyjne, pęcherzyki powietrza zawieszone w cieczy zniekształcają pomiary.

8 8 Naczynie, w którym przeprowadza się sedymentację powinno być dostatecznie szerokie, aby można było pominąć wpływ ścian bocznych, gdyż w pobliżu nich prędkość osadzania się cząstek nie stosuje się do prawa Stokesa. VI. PYTANIA KONTROLNE 1. Co to są zawiesiny i emulsje. Omówić rodzaje i podać przykłady. 2. Omówić metody analizy sedymentacyjnej i ich podstawy teoretyczne (wyprowadzenie wzorów). 3. Krzywa osadzania zawiesin polidyspersyjnych - sposób wyznaczania i wykorzystanie do wyznaczania wielkości cząstek i procentowego składu zawiesiny. 4. Praktyczne wykorzystanie analizy sedymentacyjnej. VII. LITERATURA 1. R. Brdic'ka - Podstawy Chemii Fizycznej. PWE Warszawa. 1970, str A. Basiński - Zarys fizykochemii koloidów, PWE Warszawa 1957, str Praca zbiorowa - Skrypt Pol. Śl. nr 705, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej, Gliwice 1978, str Data ostatniej modyfikacji: