Physikalisch-cheisches Praktiku Versuch: Oberflächenspannung (Tensioetrie) Datu: 28.03.2008 Gruppe: B23 ars Thiele, Matthias Wolz, Andreas van Kapen
1 Einleitung In diese Versuch wird die Oberflächenspannung von Wasser, Wasser/Tensid-Geischen und Wasser/Ethanol- Geischen ithilfe eines Ring-Methoden-Tensioeters nach ecote De Noüy geessen. Oberflächenspannung entsteht an der Grenzfläche kondensierter Phasen aufgrund des Zusaenhalts der Moleküle (hier Wasserstoffbrücken). Die Oberfläche wird aufgrund der Oberflächenspannung öglichst klein gehalten, da dies den Zustand geringster Energie darstellt. Aus diese Grund nehen Flüssigkeitstropfen i schwerelosen Rau die For einer perfekten Kugel an. Bei der Messung it de Ring-Tensioeter wird ein Platin-Iridiu Ring aus der Flüssigkeit herausgezogen. Die Kraft die bis zu Abreißen des Flüssigkeitsfils benötigt wird ist proportional zur Oberflächenspannung, welche direkt abgelesen werden kann. Da schon kleinste Verunreinigungen die Oberflächenspannung erheblich beeinflussen können, uss der Ring nach jeder Messung in bidestillierte Wasser und Aceton gereinigt und über de Bunsenbrenner ausgeglüht werden. Auch die verwendeten Glasschalen üssen it bidestillierte Wasser gewaschen und danach abgeflat werden. 2 Versuchsdurchführung 2.1 Bestiung der Oberflächenspannung von Wasser Es wird die Oberflächenspannung γ von bidestillierte Wasser und eitungswasser geessen. Tabelle 1: Oberflächenspannung von Wasser Substanz γ[ N ] bidestilliertes Wasser 73 eitungswasser 72 2.2 Bestiung der kritischen Mizellbildungskonzentration (cc) von Natriudodecylsulfat (SDS) Es wird die Oberflächenspannung von Wasser/SDS-Geischen unterschiedlicher Konzentration geessen. Die Konzentrationen werden durch verdünnen einer (von der Vorgängergruppe hergestellten) SDS-Stalösung (c Sta = 0, 25 ol ) hergestellt. Berechnung der benötigten SDS-Masse zur Herstellung von 25l SDS-Stalösung (c Sta = 0, 25 ol ): Benötigte Stoffenge von SDS n SDS = 0, 025 0, 25 ol = 6, 25ol Daraus ergibt sich die Masse von SDS SDS = 6, 25ol 288, 38 g ol = 1, 8g Berechnung des benötigten Voluens der SDS-Stalösung. Es werden ier V Gesat = 10 ösung hergestellt: Aus c Soll V Gesat = c Sta V Sta V Sta = c Soll V Gesat c Sta 1
4 ol Für c Soll = 2, 5 10 also: V 4 ol Sta = 2, 5 10 10 0,25 ol = 10µ Tabelle 2: Oberflächenspannung in Abhängigkeit der SDS-Konzentration c SDS [ ol ] V SDS[µ] V H2O[µ] γ[ N ] 2, 5 10 4 10 9990 71 5 10 4 20 9980 69 1 10 3 40 9960 65 2 10 3 80 9920 58 3 10 3 120 9880 52 4 10 3 160 9840 48 5 10 3 200 9800 43 6 10 3 240 9760 41 7 10 3 280 9720 37 8 10 3 320 9680 36 9 10 3 360 9640 38 1 10 2 400 9600 36 2 10 2 800 9200 39 5 10 2 2000 8000 38 2.3 Bestiung der Oberflächenspannung von Ethanol-Wasser-Geischen Es wird die Oberflächenspannung von Ethanol/Wasser-Geischen unterschiedlicher Konzentration geessen. Es werden wieder jeweils 10l ösung hergestellt. Desweiteren wird die Oberflächenspannung von Grappa und Hagebuttenwein geessen. 2
Tabelle 3: Oberflächenspannung in Abhängigkeit der Ethanol Konzentration c Ethanol [Vol. %] γ[ N ] 0 73 10 52 20 41 30 36 40 29 50 28 60 26 70 25 80 24 90 24 100 22 Tabelle 4: Oberflächenspannung alkoholischer Getränke Getränk c Ethanol [Vol. %](Angabe auf Etikett) γ[ N ] Grappa 40 31 Hagebuttenwein 15 42 3 Auswertung 3.1 Bestiung der Oberflächenspannung von Wasser Der Versuch zeigt, dass die Oberflächenspannung von Wasser nicht von anorganischen Ionen beeinflusst wird. Diese werden i Wasser von einer Hydrathülle ugeben, beeinflussen den Zusaenhalt der Wasseroleküle jedoch nicht. Die beiden Messwerte (siehe Tabelle 1) unterscheiden sich u 1 N, weswegen für die folgenden Messungen ein Fehler von + 1 N angenoen wird. Der Tabellenwert für die Oberflächenspannung von Wasser beträgt 72, 75 N. Die prozentuale Abweichung des Messwertes vo Tabellenwert beträgt also 1,04% für das eitungswasser. 3.2 Bestiung der kritischen Mizellbildungskonzentration (cc) von Natriudodecylsulfat (SDS) Die Messwerte aus Tabelle 2 wurden in Abbildung 1 gegeneinander aufgetragen. Die Y-Achse wurde dabei logarithisch geteilt. Bei Zugabe von SDS lagern sich die Moleküle an der Oberfläche an, wobei der hydrophobe Schwanz des Moleküls aus de Wasser ragt und der hydrophile Teil zu Wasser zeigt. Dies senkt die Oberflächenspannung. 3
Abbildung 1: Oberflächenspannung in Abhängigkeit der SDS-Konzentration Die Konzentration ab der die Oberflächenspannung weitgehend konstant bleibt, heißt kritische Mizellbildungskonzentration (cc). Sie beträgt für SDS 8 10 3 ol (siehe Abbildung 1), weil für diese Konzentration die kleinste Oberflächenspannung geessen wurde. Ab dieser Konzentration ist die Oberfläche koplett it SDS-Molekülen gefüllt. Der Überschuss an SDS bildet Mizellen. Die hydrophoben Schwänze des Moleküls lagern sich i innern der Mizelle aneinander, während die hydrophilen Köpfe des Moleküls nach außen ins Wasser ragen. Die Mizellen haben ähnlich wie anorganische Ionen keinen Einfluss auf die Oberflächenspannung. Allerdings nehen die Mizellen SDS-Moleküle von der Oberfläche weg, weswegen die Oberflächenspannung nicht wie theoretisch erwartet konstant bleibt, sondern schwankt. 3.3 Bestiung der Oberflächenspannung von Ethanol-Wasser-Geischen Da Ethanol weniger Wasserstoffbrücken als Wasser ausbildet, ist seine Oberflächenspannung entsprechend niedriger (Tabellenwert: 22, 55 N ). Gibt an zu Wasser Ethanol wird die Oberflächenspannung auch it steigender Ethanol Konzentration geringer (siehe Tabelle 3 und Abbildung 2). Mithilfe der Messkurve in Abbildung 2 lässt sich anhand der geessenen Oberflächenspannung eines alkoholischen Getränks auf dessen Alkoholkonzentration schließen. Für die i Versuch geessenen Getränke ergeben sich denach die in Tabelle 5 aufgelisteten Alkoholgehalte. Die erittelten Werte weichen für Grappa u 7,5% und für Hagebuttenwein u 33,3% von der Herstellerangabe ab. 4
Abbildung 2: Oberflächenspannung in Abhängigkeit der Ethanol-Konzentration Tabelle 5: Ethanolkonzentration verschiedener Getränke Getränk γ[ N ] c Ethanol[Vol. %] c Ethanol [Vol. %](Angabe auf Etikett) Grappa 31 37 40 Hagebuttenwein 42 20 15 4 Fehlerbetrachtung Mögliche Fehlerquellen waren: eventuelle Teperaturschwankungen während der Messung eventuelle Verunreinigungen der Glasschalen 5 Zusaenfassung In diese Versuch wurde die Oberflächenspannung von Wasser, Wasser-Tensid-Geischen und Wasser-Alkohol- Geischen unterschiedlicher Konzentrationen geessen. Es wurde die kritische Mizellbildungskonzentration von SDS bestit. Anhand der Messkurve in Abbildung 2 konnte die Alkoholkonzentration von unbekannten Alkoholischen Getränken anhand ihrer Oberflächenspannung bestit werden. 5