DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE TENSIUNE SUPERFICIALA A LICHIDELOR

DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE TENSIUNE SUPERFICIALA A LICHIDELOR

Notiuni teoretice

Stratul de la suprafata unui lichid care are grosimea razei sferei de actiune moleculara, 5.10^-9m, se numeste strat superficial. Toate moleculele cuprinse in acest strat vor fi atrase spre interiorul lichidului datorita faptului ca fortele de atractie (coeziune) exercitate de moleculele din interior (din lichid) sunt mai mari decat cele exercitate de moleculele de gaz in contact cu suprafata lichidului. Din cauza ca moleculele acestui strat sunt atrase spre interior, stratul superficial va exercita asupra lichidului o presiune. Moleculele din stratul superficial au o energie potentiala mai mare decat cele din interior. Pe de alta parte, se stie ca in general, sistemele se gasesc in echilibru cand energia lor potentiala devine minima. De aici rezulta ca starea de echilibru se realizeaza cand exista cele mai putine molecule la suprafata, de unde rezulta tendinta de micsorare a suprafetei libere a lichidului.

Fortele tangentiale care iau nastere in stratul superficial si care micsoreaza suprafata libera a lichidului poarta numele de tensiune superficiala. Din cauza existentei tensiunii superficiale suprafata libera a unui lichid intr-un vas este plana, iar picaturile de lichid in cadere adopta forma sferica. Forta de tensiune superficiala este data de relatia:

F = , unde este o constanta ce depinde de natura lichidului si se numeste coeficientul de tensiune superficiala, iar l este lungimea conturului pe suprafata lichidului. Se exprima cu ajutorul relatiei s = F/1 si are unitatea de masura N/m in sistemul international de unitati.

Coeficientul de tensiune superficiala este deci egal cu forta ce se exercita in planul suprafetei (sau tangent la aceasta pentru suprafetele curbe), perpendicular pe unitatea de lungime. El scade cu cresterea temperaturii datorita cresterii energiei cinetice a moleculelor lichidului.

Pentru coeficientul de tensiune superficiala se poate utiliza si definitia ce rezulta din amplificarea cu distanta (d), pe care se deplaseaza forta, conform formulei:

[N/m; J/m² ]

Se observa ca valoarea coeficientului de tensiune superficiala reprezinta, de fapt, energia libera a unitatii de suprafata a stratului superficial.

Intr-un sistem izolat care evolueaza izoterm se produc numai acele procese ce duc la scaderea energiei libere a sistemului. In consecinta, energia libera a stratului superficial poate scadea atat prin reducerea suprafetei libere cat si prin diminuarea coeficientului de tensiune superficiala. Pentru o solutie, la echilibru, stratul ei superficial va avea suprafata minima posibila, iar pe aceasta suprafata se vor fixa acele molecule din solutie care reduc coeficientul de tensiune superficiala, el luand valoarea minima posibila.

Substantele organice continand in molecule atat grupuri polare, hidrofile, cat si lanturi hidrocarbonate, hidrofobe, au tendinta de a se acumula la suprafata solutiei, prin aceasta energie libera a sistemului reducandu-se. Explicatia rezida in aceea ca lanturile hidrofobe vor fi excluse din faza apoasa pe cand gruparile hidrofile vor ramane incluse in stratul superficial al fazei apoase. Are loc, deci, un fenomen de absorbtie, moleculele ramanand fixate la suprafata solutiei. Astfel, continutul de molecule de acest tip este mai mare in stratul superficial decat in straturile profunde ale solutiei. Scaderea energiei libere a sistemului prin acest fenomen se traduce prin reducerea energiei libere pe unitatea de suprafata a stratului superficial, adica a coeficientului de tensiune superficiala. Astfel de substante, care se absorb in stratul superficial al solutiilor si duc la scaderea coeficientului de tensiune superficiala, se numesc tensioactive. Cantitatea de substanta tensioactiva absorbita pe stratul superficial este o functie crescatoare de concentratia solutiei. Marind progresiv concetratia solutiei,cantitatea de substanta absorbita va creste la randul ei, determinand scaderea progresiva a coeficientului de tensiune superficiala. Aceasta scadere continua pana inca se mai pot absorbi noi molecule si inceteaza in momentul in care suprafata este "saturata", adica este in intregime ocupata. Cresterea in continuare a concentratiei solutiei nu mai duce la scaderea tensiunii superficiale, aceasta avand valoarea minima posibila pentru solutia data, intrucat si cantitatea de substanta absorbita pe unitatea de suprafata este maxima posibila.

Substantele hidrofile, (electrolitii sau substantele puternic polare) au molecule care interactioneaza cu apa mai puternic decat moleculele de apa intre ele. Datorita acestui fapt, la dizolvarea unei astfel de substante in apa starea de energie minima a sistemului se realizeaza daca moleculele solvite sunt inconjurate din toate partile de molecule de apa. Ca urmare, ele au tendinta de a se acumula in interiorul solutiei apoase si nu se vor fixa pe stratul superficial. Coeficientul de tensiune superficiala a unei astfel de solutii va fi egal sau cu putin crescut in raport cu cel al apei pure.

Substantele care la dizolvarea lor nu modifica sau cresc foarte putin coeficientul de tensiune superficiala se numesc tensioinactive.

Cresterea usoara a coeficientului de tensiune superficiala ce se observa uneori la astfel de solutii se explica prin atractia mai mare la care sunt supuse moleculele stratului superficial de apa prin prezenta in interiorul solutiei a moleculelor puternic hidrofile. Si in acest caz energia libera a sistemului este minima, cresterea discreta a energiei libere a stratului superficial fiind insotita de o scadere foarte exprimata a energiei libere a solutiei prin interactiunea dintre moleculele hidrofile si apa.

Pentru serul sanguin normal coeficientul de tensiune superficiala este de 67 - 68.10^-3 N/m, iar pentru urina 70.10^-3 N/m. Aceste valori sunt numai cu putin mai mici decat coeficientul de tensiune superficiala al apei la 20^○C, care este 72.10^-3 N/m. Ele se reduc considerabil ori de cate ori se acumuleaza in sange si se elimina prin urina substante tensioactive (de exemplu: saruri biliare - in caz de icter mecanic).

Principiul masuratorii

Un lichid lasat sa curga liber printr-un orificiu foarte stramt aflat la capatul inferior al unui tub capilar asezat in pozitie verticala curge sub forma de picaturi. Fiecare picatura se desprinde de capatul tubului in momentul cand greutatea si G devine egala cu fortele de tensiune superficiala F exercitate pe circumferinta care formeaza linia de contact dintre marginea tubului si baza picaturii. Vom avea deci: G = F.

Deoarece G = mg si F = 2p r s atunci:

m g = 2p r s, unde m = masa picaturii, g = acceleratia gravitationala.

In momentul desprinderii, greutatea picaturii este proportionala cu constanta de tensiune superficiala a lichidului (legea lui Tate). In locul masei unei picaturi putem lua produsul dintre volumul ei (v) si densitatea lichidului (d), deoarece m = v d.

vdg = 2p r s (1)

Volumul unei picaturi e greu de masurat direct, insa il putem determina indirect, masurand exact un volum V de lichid (volumul stalagmometrului), determinand numarul de picaturi (n) pe care il da acest volum la curgerea spontana prin orificiul capilar si facand raportul:

V

Introducand aceasta valoare a lui v in (1) avem:

p r s

Luand un al doilea lichid, de exemplu apa, vom avea o relatie asemanatoare :

d_a g = 2 p r s_a (3)

Impartind relatia (2) cu (3) obtinem:

(4)

de unde coeficientul de tensiune superficiala a lichidului respectiv:

(5)

Relatia (5) ne permite sa calculam coeficientul de tensiune superficiala a unui lichid determinand numarul de picaturi dat de un volum anumit de lichid si numarul de picaturi dat de acelasi volum de apa.

Aparatura

Stalagmometrul Traube se compune dintr-un tub de sticla care prezinta un rezervor prevazut cu doua repere circulare a si b. Tubul in portiunea lui inferioara se continua cu un capilar c, care se termina cu o suprafata largita si slefuita orizontal d. Deasupra si dedesubtul reperelor a si b sunt gravate pe tub mai multe diviziuni care servesc la determinarea fractiunilor de picatura.

Se spala stalagmometrul cu alcool si se usuca la trompa de vid. Se aspira in stalagmometru lichidul si se numara picaturile desprinse intre aceleasi repere. Fie n numarul lor si d densitatea lichidului la temperatura de lucru. Se repeta operatia de mai multe ori si se face media determinarilor.

Rezultatele se trec intr-un tabel de felul celui ilustrat mai jos.

In functie de substanta tensioactiva utilizata se vor face determinari la mai multe concentratii urmarindu-se scaderea tensiunii superficiale cu concentratia. Rezultatele se vor reprezenta grafic. = f(c).