Определение теплоты смачивания

Цель работы: определить теплоту смачивания водой адсорбентов и вычислить их удельную поверхность.

Приборы и реактивы: калориметр (1 шт.), механическая мешалка (1 шт.), термометр Бекмана (1 шт.), секундомер, плоскодонная колба емкостью на 500 мл (1 шт), стакан емкостью на 1 л (1шт.), цилиндр на 500 мл (1 шт), KCl, вода, адсорбенты.

Смачивание твердой поверхности какой-либо жидкостью сопровождается обычно выделением теплоты, вызываемым действием межмолекулярных сил твердой смачиваемой поверхности и смачивающей жидкости. Особенно заметно выделение тепла при смачивании пористых или высокодисперсных тел, обладающих большой поверхностью.

Теплота, выделяющаяся при смачивании 1 г вещества жидкостью, называется интегральной теплотой смачивания или просто теплотой смачивания.

Величина теплоты смачивания зависит от природы жидкости и твердого тела, а также от величины его смачивающей поверхности. Вещества, которые хорошо смачиваются водой и выделяют при этом большое количество теплоты, чем при смачивании органическими жидкостями, называются гидрофильными. Вещества, которые плохо смачиваются водой, и большее количество теплоты выделяют при смачивании органическими жидкостями, чем водой, называются гидрофобными. Если отношение теплоты смачивания водой к теплоте смачивания бензолом больше единице, то вещество гидрофильное и наоборот.

Поверхностная энергия твердого тела после смачивания уменьшается на величину, равную поверхностной энергии смачивающей жидкости. За счет этого уменьшается и теплота смачивания. Величина теплоты смачивания 1 м² поверхности твердого тела q выражается формулой 5.1:

(5.1)

где U2 – полная поверхностная энергия смачиваемого тела на границе твердое тело – жидкость; U1 – полная поверхностная энергия смачиваемого тела на границе твердое тело – воздух; Uж – полная поверхностная энергия смачивающей жидкости на границе жидкость – газ.

Полная поверхностная энергия жидкости согласно уравнению Гиббса – Гельмгольца при T = const может быть выражена следующим образом:

(5.2)

где σ - поверхностное натяжение жидкости, - температурный коэффициент, который для воды равен –0,151·10^-3 Дж/м²·К.

Отсюда:

(5.3)

Это уравнение справедливо для тех случаев, когда жидкость полностью смачивает твердую поверхность.

Поверхностное натяжение на границах твердое тело – газ, твердое тело – жидкость практически измерить невозможно, поэтому нельзя вычислить полную поверхностную энергию твердого тела до и после смачивания. Но можно найти полную поверхностную энергию смачивающей жидкости Uж, которая равна теплоте смачивания.

Теплота смачивания 1 г вещества Q (удельная теплота смачивания) имеет вид:

(5.4)

где q – теплота смачивания 1 м² поверхности (Дж/м2); S – удельная поверхность адсорбента (м²/г).

Теплоту смачивания находят экспериментально калориметрическим методом. Зная теплоту смачивания, можно рассчитать удельную поверхность адсорбента.

Порядок выполнения работы

1. Исследуемый адсорбент (по указанию преподавателя) поместить в фарфоровую чашечку и высушить в сушильном шкафу в течение 1-1,5 ч. Затем охладить в эксикаторе до комнатной температуры.

2. Установить термометр Бекмана в интервале между 2 и 3 0.

3. Взвесить 2 г хлорида калия.

4. В калориметр налить 200 мл воды и закрыть его крышкой с двумя отверстиями (для термометра Бекмана и мешалки). Погрузить термометр, опустить мешалку и включить перемешивание, постепенно увеличивая скорость, но не доводя до разбрызгивания воды. Термостатировать воду в течение 5 мин.

5. Как только изменение температуры станет равномерным начать отсчеты показаний термометра через 30 с в течение 5 мин.

6. После 10 отсчетов выключить мешалку, засыпать навеску хлорида калия и, включив мешалку, продолжить запись температуры через 30 с в течение 5 мин (время высыпания вещества не более 30 с). Результаты записать в таблицу:

Таблица

№	Время от начала опыта, мин	Показания термометра для воды, град.	Время от начала опыта, мин	Показания термометра для раствора КСl, град.

7. Взвесить 2 г исследуемого образца.

8. В калориметр налить 200 мл воды на 2-3 ⁰С выше комнатной и закрыть его крышкой. Термометр и мешалку погрузить в воду, включить мешалку и дать установиться температуре всех частей калориметра. Термостатировать воду в течение 5 мин.

9. Как только изменение температуры станет равномерным начать отсчеты показаний термометра через 30 с в течение 5 мин. Это начальный период.

10. После 10 отсчетов выключить мешалку, засыпать навеску исследуемого вещества и, включив мешалку, продолжить запись температуры через 30 с (время высыпания вещества не более 30 с). С момента высыпания вещества начинается главный период, который продолжается до тех пор, пока наблюдается неравномерное повышение температуры. Как только начнется понижение температуры (или равномерное повышение), начинается конечный период, в котором тоже надо сделать 10 отсчетов. Результаты записать в таблицу:

Таблица