ЗАНЯТТЯ № 1

ЗАНЯТТЯ № 1

Тема: 1. Поверхневі явища. – 2 год.

2. Вимірювання поверхневого натягу розчинів (практична робота № 7) – 2 год.

3. Мономолекулярна адсорбція рідиною – 2 год.

Мета: Засвоїти методику вимірювання поверхневого натягу на межі “водний розчин ПАР – повітря”. Побудувати ізотерму поверхневого натягу та визначити поверхневу активність ПАР.

Професійна орієнтація студентів

Вивчення поверхневих явищ дуже важливе для фармації, тому що більшість лікарських форм є гетерогенними  системами з великою питомою поверхнею і питання раціональної технології їх отримання, стабілізації і зберігання нерозривно пов’язані з досягненням науки в цій галузі. На гемосорбції грунтується новий метод лікування важких захворювань і отруєнь, порушень мозкового кровообігу. В Україні налагоджений випуск гемосорбентів СКН, вуглецевого гемосорбенту, який містить ДНК та ін., які використовуються для лікування опіків та імунологічних захворювань.

Базовий рівень знань та вмінь студентів

Знання, набуті при вивченні математики, фізики, загальної та неорганічної хімії на І курсі і на попередніх заняттях з фізичної хімії

Програма самопідготовки студентів

Підготуватись до заняття за матеріалами підручників і лекцій, звернувши увагу на такі питання.

Тема 1. Поверхневі явища.

1.     Що таке вільна поверхнева енергія? Чому вона виникає?

2.     Що таке поверхневий натяг? Який його фізичний зміст? Яка його розмірність?

3.     Який процес називається сорбцією?

4.     Дайте визначення адсорбції, абсорбції, хемосорбції, капілярної конденсації.

5.     Що називається адгезією; когезією?

6.     В чому полягає явище змочування?

7.     Що таке ПАР? Яка їх будова?

8.     Яка поверхня називається гідрофільною; гідрофобною?

Тема 2. Вимірювання поверхневого натягу розчинів.

1.     Якими способами вимірюється поверхневий натяг?

2.     Від яких факторів залежить поверхневий натяг чистих рідин? Розчинів?

3.     В чому полягає методика вимірювання поверхневого натягу розчинів за допомогою сталагмометра?

4.     Як середній розмір або вага краплі зв’язані з поверхневим натягом?

Тема 3. Мономолекулярна адсорбція рідиною.

1.     Який вигляд має рівняння Шишковського? Фізичний зміст констант рівняння.

2.     В чому суть правила Дюкло-Траубе?

3.     Основні положення теорії мономолекулярної адсорбції Ленгмюра.

4.     Яким чином можна знайти площу, яка припадає на одну молекулу в насиченому поверхневому моношарі?

5.     Чим визначається товщина насиченого адсорбційного шару?

Інформаційна частина до практичної роботи № 7 „Вимірювання поверхневого натягу розчинів”

Вимірювання поверхневого натягу сталагмометром ґрунтується на тому, що в момент відриву краплі, яка витікає з круглого отвору, вага краплі дорівнює силі поверхневого натягу.

Сталагмометр (рис. 1) являє собою товстостінну капілярну трубку, яка всередині має розширення. Нижній кінець капіляра добре відшліфований. З обох боків від розширеної частини трубки зроблені риски (1 і 2).

Рис. 1. Сталагмометр.

У момент відриву краплі вага її р_в дорівнює силі поверхневого натягу р_{п. н.}:

                                                       р_в = V_крρg                                                              (1)

де V_кр – об’єм краплі; ρ – густина рідини; g – прискорення сили тяжіння.

Середній об’єм краплі v_кр дорівнює об’єму рідини v, що знаходиться між двома рисками у сталагмометрі, поділену на відповідну кількість крапель n:

V_кр = V/n.                                                      (2)

Сила поверхневого натягу р_{п. н.} дорівнює:

                                                     р_{п. н.} = 2πrσ,                                                    (3)

де r – радіус отвору капіляра; σ – поверхневий натяг.

У момент відриву р_в = р_{п. н.}. Звідси:

                                                  (V/n)g ρ = 2πrσ.                                                 (4)

При вимірюванні кількості крапель об’єм води (еталона) і досліджуваної рідини та радіус капіляра залишаються величинами незмінними. Відповідно можна записати:

                                                (V/n₀) g ρ₀ = 2πrσ₀;                                             (4а)

                                                  (V/n)g ρ = 2πrσ,                                               (4б)

де індекс “0” відноситься до води. Зіставляючи рівняння (4а) і (4б), отримаємо формулу для визначення поверхневого натягу досліджуваного розчину::

                                                     σ = σ₀ .                                                   (5)

За даними залежності поверхневого натягу від концентрації ПАР можна побудувати криву – ізотерму поверхневого натягу. Якщо провести дотичну до кривої в точці, що відповідає певній концентрації, то від’ємне значення тангенсу кута нахилу дотичної буде поверхневою активністю. Тобто, величина  є мірою здатності речовини знижувати поверхневий натяг на межі поділу фаз.

Практична робота № 7 „Вимірювання поверхневого натягу розчинів”

Готують по 50 мл 0.500, 0.375, 0.250, 0.125, 0.067М водного розчину бутилового спирту. Для визначення адсорбції вимірюють поверхневий натяг кожного із зазначених розчинів за допомогою сталагмометра.

Перед початком роботи сталагмометр слід промити хромовою сумішшю і кілька разів сполоснути водою. При переході від одного водного розчину до іншого слід ополіскувати сталагмометр послідовно дистильованою водою і досліджуваним розчином.

Для вимірювання поверхневого натягу сталагмометр закріплюють строго вертикально у штативі і затягують у нього рідину через гумову трубку, одягнути на верхній край капіляра, так, щоб рівень рідини був вище від верхньої риски. Уважно перевіряють рідину в капілярі, щоб у ній не було бульбашок повітря. Дають можливість рідині витікати із сталагмометра повільно.

Коли рівень рідини дійде до верхньої основної риски, починають рахувати краплі і продовжують доти, поки рідина в сталагмометрі не дійде до однієї з нижніх поділок. Кількість рідини, що витікає при цьому з капіляра, відповідає певному об’єму. При вимірюванні дослід повторюють 3 – 4 рази і беруть середнє число крапель.

Спочатку визначають кількість крапель n₀ при витіканні стандартної рідини з відомою величиною поверхневого натягу. Звичайно для цього беруть воду. Далі визначають кількість крапель для води.

Щоб визначити σ, треба також виміряти густину рідини. Це роблять за допомогою ареометра.

Результати досліду оформіть у вигляді таблиці:

Концентрація ПАР, моль/л	Густина розчину, г/мл	Кількість крапель, які витікають зі сталагмометра	Поверхневий натяг розчину, Дж/м2

За даними залежності поверхневого натягу від концентрації ПАР побудуйте криву – ізотерму поверхневого натягу. Визначте поверхневу активність ПАР.

Ситуаційні задачі

1.     Густина 0.125 М водного розчину ізопропанолу дорівнює 0.996 г/мл. За деякий час з отвору капіляра сталагмометра витекло 32 краплі розчину (загальний об’єм 2 мл). Знайти силу поверхневого натягу розчину. Яка маса 1 краплі?

2.     Визначте поверхневий натяг водного розчину бутанолу (густина 0.998 г/мл), якщо за деякий час з отвору капіляра сталагмометра витікає 30 крапель. За той самий час витікає 19 крапель дистильованої води (еталон порівняння). Поверхневий натяг води 71.7·10^-3 Дж/м².

3.     Обчисліть поверхневий натяг рідини, густина якої 1.2 г/мл, якщо по вертикальному капіляру діаметром 0.2 мм вона піднялась на 1.05 м.

4.     Для водного розчину пропілового спирту були визначені константи рівняння Шишковського при 298К: а = 14.4*10^-3, в = 6.6. Поверхневий натяг води σ₀ = 72.53*10^-3 Н/м. Обчисліть поверхневий натяг розчину з концентрацією 1 моль/л.

5.     При якій концентрації поверхневий натяг водного розчину валеріанової кислоти становитиме 52.1*10^-3 Н/м, якщо поверхневий натяг води при 273 К дорівнює 75.49*10^-3 Н/м? Константи рівняння Шишковського для водного розчину валеріанової кислоти становлять: а = 14.72*10^-3, в = 10.4.

6.     Залежність поверхневого натягу від концентрації водних розчинів валеріанової кислоти при 353 К описується рівнянням Шишковського σ = 62.6·10^-3 – 17.7·10^-3 ln (1 + 19.72 С). Розрахуйте значення адсорбції валеріанової кислоти  з водного розчину, концентрація якого становить 0.03 моль/л.

7.     Обчисліть адсорбцію на межі поділу водний розчин масляної кислоти з концентрацією 0.1 моль/л – повітря при 273 К, якщо залежність поверхневого натягу від концентрації виражається рівнянням Шишковського σ =  σ₀ – 16.7·10^-3 ln (1 + 21.5С). σ₀ = 75.62·10^-3 Дж/м².

8.     Обчисліть площу S₀, яку займає молекула н-валеріанової кислоти С₄Н₉СООН на поверхні поділу водний розчин – повітря при 353 К, якщо залежність поверхневого натягу від концентрації виражається рівнянням Шишковського:

σ = σ₀ – 17.7*10^-3 ln (1 + 19.72 С).

9.     Визначити величину і знак адсорбції  (моль/м²) хлориду кальцію в 20 % водному розчині (ρ = 1,77 г/мл) при 293 К, якщо поверхневий натяг розчину  84,3^. 10^-3, а води – 73,0^. 10^-3  Дж/м².

10.         Обчисліть площу, яка припадає на молекулу стеаринової кислотиС₁₇Н₃₅СООН в насиченому моношарі на поверхні поділу вода – повітря, якщо відомо, що 0.1*10^{–6 кг стеаринової кислоти покриває поверхню води площею 5*10–2 м2}.

11.         0.1 кг олеїнової кислоти С₁₇Н₃₃СООН наливають на поверхню води. Площа поперечного перерізу молекули кислоти 22*10^{–20 м2}. Яким буде найбільший діаметр кола (в метрах), що утворила мономолекулярна плівка кислоти на межі поділу вода – повітря?

12.         Розчин пальмітинової кислоти С₁₅Н₃₁СООН в бензолі містить 4.24 г/л кислоти. Після нанесення розчину на поверхню води бензол випаровується і пальмітинова кислота утворює мономолекулярну плівку. Який об’єм розчину необхідно взяти, щоб покрити таким моношаром поверхню площею 500 см²? Площа однієї молекули пальмітинової кислоти на межі вода – повітря дорівнює 21*10^{–20 м2}.

13.         Залежність поверхневого натягу водних розчинів амілового спирту від концентрації при 25 ºС виражається наступним чином:

Визначте графічно адсорбцію амілового спирту з розчину концентрацією 0.025 моль/л.

Вихідний рівень знань та вмінь студентів

Студент повинен знати:

1.     Що таке поверхневий натяг і причини його виникнення.

2.     Методи вимірювання поверхневого натягу.

3.     Правило Дюкло-Траубе.

4.     Математичний вираз рівняння Шишковського.

5.     Теорію мономолекулярної адсорбції Ленгмюра.

Студент повинен вміти:

1.     Вимірювати поверхневий натяг.

2.     Розраховувати площу молекули ПАР та товщину адсорбційного мономолекулярного шару.

Джерела інформації:

Основні:

1.     Фізична та колоїдна хімія / Кабачний В.І., Осипенко Л.К., Грицан Л.Д. та ін. – Х.: Прапор, В-во УкрФА, 1999. – С. 368.

2.     Мороз А.С., Ковальова А.Г. Фізична та колоїдна хімія. – Львів: Світ, 1994. – С. 280.

3.     Каданер Л.І. Фізична та колоїдна хімія. – К.: Вища школа, 1983. – С. 287.

4.     Евстратова К.И., Купина И.А., Малахова Е.Е. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1990. – С. 487.

Додаткові:

1.     Киреев В.А. Краткий курс физической химии. – М.: Химия, – 1978. – С. 776.

2.     Красовский И.В., Вайль Е.И., Безуглый В.Д. Физическая и коллоидная химия. – К.: Вища школа., 1983. – 345 с.

3.     Практикум по физической и коллоидной химии / Е.В. Бугреева. К.И. Евстратова, Н.А. Купина и др.; Под ред. К.И. Евстратовой. – М.: Высш. шк., 1990. – 255 с.