Лабораториялық жұмыс. Сұйықтың толық беттік энергиясын анықтау
КОЛЛОИДТЫ ХИМИЯ
Пәні бойынша
Л А Б О Р А Т О Р И Я Л Ы Қ Ж Ұ М Ы С Т А Р Ж И Н А Ғ Ы
ЛАБОРАТОРИЯЛЫҚ ЖҰМЫСТАР
Лабораториялық жұмыс
Сұйықтың толық беттік энергиясын анықтау
Жұмыстың мақсаты: беттік (фазааралық) керілуді өлшеу, таза сұйықтағы беттік керілудің температураға тәуелділігін анықтау, толық беттік энергияны және қараушыларды есептеу.
Аспаптар мен ыдыстар: Беттік керілуді анықтайтын аспап.
Реактивтер: Қалыпты (су) және зерттелетін сұйықтар.
Пререквизиттер:бейорганикалық химия,элементтер химиясы,органикалық химия, физикалық химия
Постреквизиттер:электрохимия негіздері, физикалық химияның зерттеу әдістері
Студенттің алдын-ала меңгеріп келуге тиісті дағдылары: Беттік керілу , оны анықтау әдістері мен теорияларын меңгеріп, орындалатын жұмыстың әдістемесімен танысу.
Студенттің алдын-ала біліп келу мәліметтері: Лабораториялық жұмыста қолданылатын реактивтер туралы мәліметтер және есептерді шешуге арналған формулалары мен әдіс-тәсілдері туралы мәліметтерді білу.
Қысқаша теориялық мәлімет:
Беттік керілу, оны анықтау әдістері физика курсында толық талданады. Сондықтан да бұл тарауда сұйықтар мен қатты денелерде кездесетін беттік керілу туралы қысқаша қарастырамыз. Беттік керілу бетке перпендикуляр бағытта сұйық молекуласын ішке қарай тартатын ішкі қысым күшінің әсерінен пайда болатын құбылыс. Ішкі қысым молекулалық әрекеттесу күштің нәтижесінде пайда болатындықтан, оның мәні зат полюстілігіне тәуелді, яғни берілген заттың полюстігі артқан сайын ішкі қысым да көбейеді. Мысалы, судың ішкі қысымы 14800 атм., бензолдікі 3800 атм. Демек, бензолдан гөрі судың полюстігі артық.
Ішкі қысым сұйықтың беткі қабатына орналасқан молекулаларды ішке тартады және сұйықтың беттік шамасын (ауданын) барынша азайтуға, кішірейтуге тырысады. Сұйықтың беттік мөлшерін азайтуға себепші болатын барлық шектің бірлік өлшеміндегі ұзындығына әсер етуші күшті беттік керілу күші немесе жай ғана беттік керілу дейді. Оның өлшем бірлігі – дин/см және бұл күш сұйық бетіне әрқашан перпендикуляр бағытталған. Сұйықтың беттік қабатын көбейту үшін ішкі қысыммен байланысқан кедергіні жеңуге бағытталған жұмыс жүргізу керек. Мұндағы қайтымды және изотермалық процестің бірлік өлшеміндегі бетті тудыруға арналған жұмыс, осы беттің үлесті бос энергиясына тең және ол эрг/см2-пен өлшенеді. Ал, егер эрг-дин∙см екенін еске алсақ, онда бір шаршы сантиметр бетті жасауға қажетті үлесті бос энергия шамасы осы беттегі беттік керілу күшіне теңеледі екен (дин/см). Олай болса, осы айтылғанға орай беттің үлесті бос энергиясы беттік керілуге тең; бұл екі шамада бір таңбамен (δ) өрнектеледі. Ескерте кететін бір жай, беттік бос энергия жүйенің бір компанентті сұйық болғанда беттік керілу күшіне теңеледі, яғни таза су, бензол, спирт, май сияқты жеке сұйықтардағы беттік бос энергияның шамасы оның беттік керілу күшіне тең екен.
Фазааралық шектің беткі қабатында бос энергияның артық болуын әр түрлі әдістер көмегімен дәлелдеуге болады. Мысалы, сұйық фазаның ішкі ортасына орналасқан молекуланың өзін қоршаған молекулалармен әрекеттесу күші орташа күшке айналады және ол күш өрісінің симметриялы болуына байланысты нөлге теңеледі. Газ бен сұйық фазаларының арасындағы шекті қабаттағы молекулалар газдан гөрі сұйық молекуласымен көбірек әрекеттесетіндіктен, ондағы тең әсерлі күш сұйыққа қарай, яғни сұйық фазаның беткі қабатына перпендикуляр бағытталады. Көлем өзгеріссіз қалатын жағдайдағы беткі қабаттың ауданын көбейту молекулааралық ішкі күшке қарсы жұмыс жүргізу кезінде фаза көлеміндегі молекулаларды беткі қабатқа шығарады. Изотермалық жағдайда жүргізілетін бұл жұмыс беткі қабаттағы бос энергияның артуына тең. Дәл осы сияқты қатты заттарды ұнтақтау кезінде де ондағы байланыс үзіліп, әрбір бөлшек саны артқан сайын беткі қабатта көбейеді және фазааралық беткі қабат артқандықтан, бос энергия жоғарлайды. Мұндай беткі қабат ауданына сәйкес көбейіп отыратын бос энергия туралы ойды кез келген фазааралық беткі қабаттарға пайдалануға болады.
3-сурет Адсорбция изотермасы
Лабораториялық жұмыстың орындалу реті. Беттік керілуді сақинаның үзіліп бөлінуіне суйеніп анықтау әдісі сұйық бетінде жатқан сым сақинасын үзіп алу үшін жұмсалатын күшті өлшеуге негізделегн.мұндай әдістегі басты шарт - сым сақинаны күшпен тартқанда, оған жұғысқан сұйық әуелі сақинамен бірге көтеріліп барып үзіледі. Демек, алғашқыдағы көтерілген сұйық биіктігі немесе бағанасы және оның төменге тартылу күші, сақинаны көтеруге жұмсалған күшке тең.Ал сұйықтың бірден үзіліп қалуына, оның беттік керілу күші кедергі болады. Сыртқы күштің мәні беттік керілу күшіне теңеліп, тепе-теңдікке жеткен мезетте, сұйық бағанасы бұзылады да сақина сұйық бетінен үзіледі. Осындағы күш сұйықтың беттік керілуімен және сым сақинасыны өлшемімен анықталады:
F=2πσc-rR` +2πσc-r(R`+2r)=4πσc-rR (1)
Мұндағы R`- сақинаның ішкі радиусы, R-сақинаның орташа радиусы, r-сақина әзірленген сымның радиусы және ол сақина радиусынан әлденеше есе кіші.
Егер сақинамен бірге дұрыс пішінде сұйық цилиндрі көтерілетін болса, онда жоғарыдағы (1) теңдеу орындалады.алайда көтерілетін сұйық күрделі болып келеді.Гаркинс зерттеуі бойынша,R3:V екен. Сақина радиусы қима радиусының қатынасына тәуелді. Осыларды ескерсек, β-реттеуші коэфицент.
F=4 πσc-rR β (2)
Бұдан, сұйықтың беттік керілуі, сақинаның сұйықтан үзіліп кеткендегі берілетін күшке пропорционал, яғни
σc-r = RF (3)
Алғашқыда мәні едәуір күшті F өте сезімтал торзионды таразымен өлшейді.
1-сурет. Торзионды таразы:
1-тіреуіш винттер; 2-ілгіш; 3-табақша; 4-арретир;
5-иің; 6,7-стрелка; 8-риек( тілшік); 9-винт; 10-шкала
Оның негізгі бөлігі ілгекке ілінген платина, иін зерттелетін сұйық бетінен сым сақинаны үзу күші тетігі бұрау арқылы орындалады.Көрсеткіш тілше көмегімен таразыдағы шкала ойынша F мәнін анықтайды. Суреттегі 1-тақтайшаны көтеріп немесе төмендетуге арналған бұранда және 2,5 айналдыратын тетіктер, көрсеткіш тілше, шкала, ілгек, өлшейтін сақина, табақша, жылжымалы тақтайша, реттеуіш. Өлшеу алдында таразы қондырғыларын деңгей бойынша тексеріп алады. Сақинаны хромды қоспамен мұқият жуып, таза сумен бірнеше рет шайып, су сорғыш немесе сүзгіш қағазбен сүртіп, кептіреді. Осылайша дайындалған сақина торизондық таразының ілгішіне ілінеді. Табақшаға зерттелетін сұйықты 5-7 мм деңгейге дейін құяды да оны жылжымалы тақтайшаға орналастырады. Осы тұста сақина табақшаға жанаспауы керек,әрине, ол үшін бұранда көмегімен тақтайшаны төмендетсе болғаны. Таразы реттеуішін , бұрап босатып, тетікті айналдыра отырып, сол жақтағы қозғалыссыз тілшені нөлдік бөлікке қояды. Төменгі бұранданы бұрап,сұйықты табақша орналасқан жылжымалы тақтайшаны жоғары көтеріп, сұйықтың беткі қабатын сақинамен жанастырады. Бұранданы кері бұрай отырып жылжымалы тақтайшаны оң жақтағы қозғалмалы тілше, шкаланың сызығына жеткенше төмендетеді. Бұл таразының жұмысшы жағдайы.
Сол жақтағы тетікті өзіңнен айналдыра бұрап, көрсеткіш тілдің сұйық бетінен сақина үзілген сәтіндегі жағдайын тіркейді.
Әрбір сұйықтар мен ерітінділер үшін үш реттен өлшеп, олардағы күш F мәнінің орташасын алады.Беттік керілуді теңдеу бойынша есептейді. Көбейткіш β мәнін беттік керілуді белгілі болатын қалыпты сұйықтан сақинаның үзілгендегі күшін өлшеу кезіндегі алынған мәліметтер бойынша табады.
Зерттелетін сұйықтың беттік керілуін бірнеше температуралық мәнде өлшейді және осындағы зерттелетін сұйықты, температура аралығын және беттік керілуді σc-r анықтау әдістемесін оқытушы нұсқайды.Өлшеу алдында әрбір температуралық мән үшін, сұйықтың температурасын термостатта тұрақтандырады.
Өлшеу нәтижесі бойынша σc-r = f( т) тәуелділігі бойынша сызба тұрғызып, ондағы алынатын түзудің еңкіштік бұрышының тангенісі бойынша температуралық коэффиценттің dσ=dT мәнін табады. Әрбір температура үшін, және теңдеулер бойынша US және qs есептейді де сұйықтағы беткі қабаттың термодинамикалық өлшемдеріне тигізер температураның ықпалы жайлы тұжырымдайды.
Сұйықтың толық беттік энергиясын есептеу үшін қажетті тәжірибелік және есептеулік деректер
№ 1кесте
| Температура К | Есептуге қажетті өлшенетін өлшем, σc-r, f | Беттік керілу, σc-r, Дж/м2 | Температуралық көбейткіш, Dσ/ dT | Беткі қабат бірлігінің түзілу жылуы qs, Дж/м2 | Толық беттік энергиясы US , Дж/м2 |
Бақылау сұрақтары:
1. Коллоидты химия қандай беттік құбылыстарды зерттейді?
2. Беттік керілу дегеніміз не және ол қандай бірлікте өлшенеді?
3. Беткі қабатты түзетін сұйық табиғатынан, зат табиғатына беттік керілу қандай тәуелділікте болады?Олардағы молекулалық әрекеттесу қалай болады?
4. Сұйық және қатты денелердің беттік керілуін анықтау үшін қандай әдістер қолданылады?
5. Қалай және неліктен беттік керілу температураға тәуелді?
6. Толық беттік энергияны қандай теңдеумен есептейді?мұндай есептеулер үшін қандай деректер қажет?
7. Температура беттің түзілу жылуы мен энтропиясына және бірікпеген (ассоцияцияланбаған) сұйықтардың толық беттік энергиясына қалай ықпал етеді?