Meranie povrchového napätiaMeranie povrchového napätia

Úlohy:

1.) Pomocou du Nouyho metódy stanovte povrchové napätie destilovanej vody, benzénu a krvnej plazmy.

2.) Vyšetrite časovú závislosť vplyvu povrchovo aktívnej látky na povrchové napätie krvnej plazmy.

Teoretický úvod:

Povrchová energia - nadbytok voľnej energie molekúl na rozhraní kvapaliny s jej parou vzhľadom na molekuly v objeme kvapaliny, ktorý je spôsobený nevykompenzovanými molekulárnymi silami v povrchovej vrstve. Povrchová energia jednotky plochy rozhrania sa nazýva povrchové napätie.

Povrchové napätie s - práca potrebná na zväčšenie povrchu rozhrania o 1 m2.

Rozoznávame dva druhy povrchových napätí:

- dynamické σDYN charakterizuje okamžite vytvorené rozhranie, pričom sa predpokladá, že má zloženie zhodné s ostatným objemom kvapaliny.

- statické σSTAT zodpovedá rozhraniu po ustálení adsorpčnej rovnováhy.

V čistých kvapalinách (voda, alkohol) má celý objem aj povrchová vrstva rovnaké zloženie, preto σDYN a σSTAT sú zhodné. Naproti tomu pri roztokoch povrchovo aktívnych látok zloženie rozhrania je zhodné s ostatným objemom kvapaliny len v momente vytvorenia plochy rozhrania. Od začiatku adsorpcia povrchovo aktívnych látok prebieha na povrchu rozhrania prostredníctvom prenosu ich molekúl z objemu roztoku a končí sa za určitú dobu adsorpčnou rovnováhou. V takýchto roztokoch je teda σSTAT menšie ako σDYN.

V prípade biologických kvapalín (krv, krvná plazma) dochádza aj po pridaní povrchovo aktívnej látky zložitými mechanizmami k znovunastoleniu pôvodnej hodnoty povrchového napätia. Tým sa udržujú prijateľné podmienky pre existenciu bunky a táto schopnosť sa znižuje len vplyvom vážnych ochorení.

Spomedzi mnohých metód (metóda maximálneho tlaku bublinky, metóda váženia kvapiek, kapilárna metóda) , ktoré sa bežne používajú na meranie povrchového napätia použijeme tzv. du Noűyho metódu, ktorá je založená na meraní sily, ktorá je potrebná na odtrhnutie papierika od povrchu meranej kvapaliny.

Schéma zapojenia:


Postup merania:

Na meranie povrchového napätia využijeme aparatúru, ktorá meria silu potrebnú na odtrhnutie média (filtračný papierik) od povrchu kvapaliny. V prípade merania povrchového napätia čistých kvapalín (destilovaná voda, benzén, krv) opakujeme meranie 5 krát a uvažujeme aritmetický priemer. Po pridaní povrchovo aktívnej látky do krvi sledujeme časovú závislosť povrchového napätia a porovnáme ju s povrchovým napätím krvi bez aktívnej látky.

Namerané hodnoty:

1.) Povrchové napätie:

Meranie

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Priemer

Destilovaná voda

53,4

54,2

52,4

53,1

53,2

53,26

Benzén

34

32

34,1

34

34,9

33,8

Krvná plazma

50,8

50,1

50

49,6

49,4

50

49

49,8

49,4

49,7

49,78

2.) Časová závislosť:


t[min]

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

s[mN/m

14.2

13.8

14.4

14.7

13.6

12.4

10.2

8.7

7.7

6.9

6.1

5.9

5.2

4.9

4.7

t[min]

7.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5

11

11.5

12

12.5

13

14

15

16

s[mN/m

4.4

4.2

4.0

3.7

3.8

3.6

3.3

3.1

3.1

3.1

3.0

3.0

2.7

2.5

2.3


Záver a vyhodnotenie merania:

Povrchové napätie destilovanej vody je 53,26 mN/m, benzénu 33,8 mN/m a krvi 49,78 mN/m. Teoretická hodnota povrchového napätia vody je 72 N/m, z čoho vyplýva, že meraná destilovaná voda bola už znečistená. To isté sa dá povedať aj o benzéne (σTEOR = 29).

Povrchové napätie krvy po pridaní povrchovo aktívnej látky sa po 16 minútach dostalo na hodnotu 47,48 mN/m (rozdiel len 2,3 mN/m). Na priebehu dU=f(t) vidieť regeneráciu povrchového napätia na pôvodnú hodnotu.

Zadanie :

Pomocou du Noűyho metódy (meraním sily potrebnej na odtrhnutie kruhového prstenca od povrchu kvapaliny) stanovte povrchové napätie destilovanej vody a vyšetrite časovú závislosť vplyvu povrchovo aktívnej látky na povrchové napätie krvi.

Teoretická časť:

Pod povrchovou energiou rozumieme nadbytok voľnej energie molekúl na rozhraní kvapaliny s jej parou vzhľadom na molekuly v objeme kvapaliny. Tento nadbytok voľnej energie je spôsobený nevykompenzovaním molekulárnych síl v povrchovej vrstve. Povrchová energia jednotky plochy rozhrania sa nazýva povrchové napätie.

Povrchové napätie sa teda rovná práci potrebnej na zväčšenie povrchu uvedeného rozhrania o 1 m2.

σ je povrchové napätie (Jm-2) resp. (Nm-1)

Rozoznávame dva druhy povrchových napätí: dynamické a statické. Dynamické σdyn charakterizuje okamžité vytvorenie rozhrania, o ktorom sa predpokladá, že má zloženie zhodné s ostatným objemom kvapaliny. Statické σstat zodpovedá rozhraniu po ustálení adsorpčnej rovnováhy. Pri čistých kvapalinách celý objem kvapalnej fázy a jej povrchová vrstva majú stále rovnaké zloženie, a teda v tomto prípade je sú obe napätia zhodné. V roztokoch povrchovo aktívnych látok zloženie rozhrania je zhodné s ostatným objemom kvapaliny len v momente vytvorenie plochy rozhrania, platí teda σstat je vždy menšie ako σdyn. Pri niektorých biologických kvapalinách je situácia zložitejšia, pretože napr. V prípade krvnej plazmy dochádza k opätovnému nastoleniu pôvodnej hodnoty povrchového napätia po jeho znížení vyvolanom pridaním povrchovo aktívnej látky. Ako sa ukázalo táto vlastnosť krvnej plazmy je spôsobená prítomnosťou určitých bielkovín ale hlavne dvojmocných iónov vápnika, ktoré reagujú s povrchovo aktívnymi mastnými kyselinami, pričom sa vyrábajú nerospustné soli, ktoré už nie sú povrchovo aktívne. Týmto mechanizmom sa udržuje prakticky konštantná hodnota povrchového napätia krvnej plazmy a mení sa len pri niektorých vážnych chorobách.

Experimentálna časť:

Na meranie povrchového napätia použijeme du Noűyho metódu. Je rýchla a jednoduchá, stačí malé množstvo kvapaliny. Na jednom ramene váh je zavesený papier, ktorý nasiakne meranou kvapalinou. Potom sa jeho výška nastaví tak, aby sa dotýkal povrchu hladiny a váhy vyvážime na nulovú výchylku. Takto je možné po odtrhnutí papiera odčítať hodnotu povrchového napätia.

Namerané hodnoty:

Ø Určenie povrchového napätia destilovanej vody

Meranie

1

2

3

4

5

σpriem

σ[mN/m]

54,2

52,4

53,1

53,2

53,4

58,62

Tabuľková hodnota σ: 72 mN/m

Ø Určenie povrchového napätia benzénu

Meranie

1

2

3

4

5

σpriem

σ[mN/m]

34

32,2

34,1

34,0

34,9

33,84

Tabuľková hodnota σ: 29,1 mN/m

Ø Určenie povrchového napätia krvi

Meranie

1

2

3

4

5

6

σ[mN/m]

50,8

50,1

50

49,6

49,4

50

Meranie

7

8

9

10

σpriem

σ[mN/m]

49

49,8

49,4

49,7

49,78

Ø Vplyv povrchovo aktívnej látky na povrchové napätie

čas [min]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

Odchyl σ

14,2

13,8

14,4

14,7

13,6

12,4

10,2

8,7

7,7

6,9

čas [min]

5

5,5

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

Odchyl σ

6,1

5,9

5,2

4,9

4,7

4,4

4,2

4

3,7

čas [min]

9,5

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

14

Odchyl σ

3,8

3,7

3,3

3,1

3,1

3,0

3,0

3,0

2,7


Záver a vyhodnotenie:

Pomocou de Nouyho metódy sme zmerali hodnoty povrchových napätí destilovanej vody, benzénu a vzorky krvnej plazmy a stanovil som ich priemerné hodnoty: 58,62mN/m pre destilovanú vodu

33,84mN/m pre benzén

49,78mN/m pre vzorku krvnej plazmy.

Vzhľadom na tabuľkové hodnoty 72 a 29 mN/m pre destilovanú vodu a benzén sú výsledky zaťažené relatívnymi odchýlkami 18,58% a 16,28%. Tieto diferencie mohli byť spôsobené nečistotami nachádzajúcimi sa v roztoku. Pri vode nečistoty hodnotu σ znižujú, a pri benzéne naopak zvyšujú.

Z grafu predstavujúceho časovú evolúciu vplyvu kyseliny steárovej na odchýlkovú hodnotu povrchového napätia vidieť, že po pridaní povrchovo aktívnej látky došlo k zníženiu povrchového napätia. Najvýraznejší vplyv sa prejavil hneď po kvapnutí kyseliny steárovej. Hodnoty merané každých 30 sekúnd ukazujú, že roztok má tendenciu k opätovnému nastoleniu pôvodnej hodnoty povrchového napätia. Bolo to spôsobené niektorými zložkami krvi, ktoré reagujú s povrchovo aktívnymi mastnými kyselinami a vytvárajú tak nerozpustné soli, ktoré nie sú povrchovo aktívne. Týmto mechanizmom sa udržuje prakticky konštantná hodnota povrchového napätia v prípade krvnej plazmy.