6.2. Лабораторные работы

6.2.1. Работа а-1. Изучение адсорбции спиртов из водных растворов на границе «жидкость–воздух» методом Ребиндера

При выполнении лабораторной работы необходимо измерить поверхностное натяжение водно-спиртовых растворов, построить изотерму адсорбции Гиббса и рассчитать ёмкость монослоя.

Для измерения поверхностного натяжения  используется метод Ребиндера. Капилляр с известным внутренним диаметром погружается на небольшую глубину в исследуемый раствор, в капилляр очень медленно подают воздух. Давление газа в капилляре постепенно повышается. После того, как пузырёк газа у кончика капилляра принимает форму полусферы для его дальнейшего роста и отрыва увеличение давления уже не требуется и после отрыва пузырька давление в системе скачком уменьшается. Сила, действующая на полусферический пузырёк, равна где P – избыток внутреннего давления в пузырьке над внешним давлением. Сила, препятствующая образованию пузырька, равна В момент отрыва пузырька эти силы равны, поэтому

Для приведения этой простой формулы к виду позволяющему обрабатывать экспериментальные данные необходимо учесть ряд поправок, например, на неизбежную эллиптичность капилляра. Можно упростить обработку, предполагая, что сохраняется пропорциональная зависимость между  и P.

Постоянную f можно найти, проведя опыт с чистой водой, для которой величина поверхностного натяжения известна.

Схема прибора Ребиндера, используемого в работе, показана на рис. 6.9.

Рис 6.9. Прибор Ребиндера. 1 – пробирка, 2 – капилляр, 3 – манометр, 4 – делительная воронка, используемая для создания разряжения в системе

Необходимое оборудование, посуда и реактивы

Для выполнения лабораторной работы необходимы:

– прибор Ребиндера (рис. 6.9);

– мерные колбы 100 мл – 8 шт;

– пипетки на 1 – 5 мл;

– хромовая смесь;

– бидистиллированная вода;

– н-бутанол-1 или другой спирт по указанию преподавателя.

Порядок подготовки к выполнению работы

При выполнении лабораторной работы по определению поверхностного натяжения следует промыть прибор Ребиндера и колбы, в которых будут готовиться растворы, хромовой смесью и затем многократно – дистиллированной водой. Для приготовления растворов следует пользоваться только бидистиллированной водой.

Приготовить в мерных колбах водные растворы н-бутанола-1 с концентрацией 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,05; 0,025; 0,01 моль/л. Следует иметь в виду, что смешение воды со спиртами сопровождается тепловым эффектом, поэтому растворы должны термостатироваться. Если измерения проводятся без термостата, необходимо выдержать приготовленные растворы при комнатной температуре.

Подготовить прибор Ребиндера. Пробирка 1 с исследуемой жидкостью плотно закрывается резиновой пробкой, в которую вставлен капилляр 2. Желательно использовать капилляры с внутренним диаметром кончика примерно 0,3–0,5 мм. Кончик капилляра должен касаться исследуемой жидкости, но не погружаться глубоко, т. к. в этом случае придётся вводить поправку на глубину погружения капилляра. Пробирка соединяется с манометром 3 и делительной воронкой 4, как это показано на рисунке. Вся система герметизируется.

Порядок выполнения работы

Для создания перепада давления оказывается более удобно не повышать давление в капилляре, а понижать давление в системе. Давление в капилляре при этом постоянно и равно атмосферному. Первое измерение проводят, заполняя прибор чистой бидистиллированной водой.

Плавно регулируя кран делительной воронки, следует добиться того, чтобы пузырьки проскакивали из капилляра в раствор с интервалом примерно 10 секунд. Измерение наибольшего давления, при котором проскакивает пузырёк, производится по манометру. Это давление соответствует наибольшей разности уровней жидкости в левом и правом коленах h.

По результатам опыта с чистой водой определяют постоянную прибора Ребиндера f. Значение  для воды равно 72,7610^–3 Н/м при 20 ^С и 71,95 Н/м при 25 ^С. Если измерение проводится при другой температуре, значение  для воды следует определить по табл. 6.1.

Далее последовательно заполняют пробирку 1 исследуемыми растворами, зная постоянную прибора f, определяют поверхностное натяжение растворов.

Обработка данных

Измерив зависимость поверхностного натяжения от концентрации растворов С, строят график зависимости σ от С (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Определение

Для вычисления величины адсорбции Г по уравнению (6.13) необходимо найти производную Графически это можно сделать проводя касательные к полученной кривой до пересечения с осью ординат и прямые, параллельные оси абсцисс. Из рис. 6.10 видно, что

откуда

Более простой, хотя и менее точный метод заключается в вычислении конечных разностей величины поверхностного натяжения σ₁ и σ₂, вычисленных при различных концентрациях С₁ и С₂. Разности Δσ и ΔС подставляют в уравнение Гиббса:

В качестве С_ср можно взять среднее арифметическое между С₁ и С₂.

Далее следует оценить предельную ёмкость монослоя, считая что для плёнки ПАВ применимо уравнение Лэнгмюра (6.3). Перепишем уравнение Лэнгмюра в несколько видоизменённом виде:

(6.14) где Г_m – ёмкость монослоя. Г здесь представляет собой уже не избыточное, как у Гиббса, а полное число молекул, адсорбированных в поверхностном слое. Однако для разбавленных растворов этой разницей можно пренебречь.

Линеаризовав уравнение (6.14) в виде

строят график зависимости от находят значение пре-дельной ёмкости монослоя Г_m (моль/м²) и константы равновесия K.

Определив величину Г_m, можно легко рассчитать площадь, занимаемую одной молекулой. Умножив Г_m на число Авогадро N_A, получим число молекул, адсорбированных на единице площади. Величина, обратная найденной, является площадью поверхностного слоя, занимаемой одной молекулой адсорбированного вещества:

Отчёт о работе должен содержать: первичные данные и результаты измерения поверхностного натяжения водно-спиртовых растворов, графики, полученные значения ёмкости монослоя и площади, занимаемой одной молекулой спирта.