Dichtheid en oppervlaktespanning
Faye stelde deze vraag op 12 november 2022 om 11:57.Hallo,
Voor een PO moet ik kijken welke factoren de oppervlaktespanning van een vloeistof beïnvloeden. Ik moet het verband van de dichtheid van de vloeistof en de oppervlaktespanning van deze vloeistof bepalen en kunnen uitleggen met behulp van theorie.
Ik vind het moeilijk om hier iets over te vinden op internet.
Kunnen jullie mij hierbij helpen?
Alvast bedankt,
Faye 5v
Reacties
Faye
Ik moet het verband van de dichtheid van de vloeistof en de oppervlaktespanning van deze vloeistof bepalen en kunnen uitleggen met behulp van theorie.
dag Faye,
wat je daar schrijft is onmogelijk.
Met één vloeistof valt er niks te variëren, want zowel dichtheid als oppervlaktespanning zijn stofeigenschappen en dus onveranderlijk. Met één punt in een diagram vallen er geen verbanden af te leiden.
als we dat anders formuleren:
Voor een PO moet ik kijken welke factoren de oppervlaktespanning van een vloeistof beïnvloeden. Ik moet het verband tussen de dichtheid en de oppervlaktespanning van vloeistoffen bepalen en kunnen uitleggen met behulp van theorie.
Dat blauwe stuk zou wel kunnen: zoek van minstens een tiental uiteenlopende vloeistoffen dichtheid en oppervlaktespanning op en zet die gegevens in een grafiek tegen elkaar uit.
Dan gaan we daarna wel eens kijken naar de conclusie.
Groet, Jan
Ik heb van een aantal vloeistoffen de dichtheid en de oppervlaktespanning tegen elkaar uitgezet in een grafiek. Zie het resultaat hieronder.
Wat duidelijk opvalt is: als de dichtheid groter wordt, neemt de oppervlaktespanning toe.
Wat zou hier een verklaring hiervoor zijn?
![](https://media.natuurkunde.nl/content_files/files/18094/original/Screenshot_2022-11-13_12.35.41.png?1668339467)
Stoffen met een grotere dichtheid bestaan over het algemeen uit grotere moleculen (?). Bij deze moleculen is het oppervlakte waar de vanderwaalskrachten op spelen groter. Door grotere vanderwaalskrachten ontstaat een sterkere kracht tussen moleculen en dus neemt de oppervlaktespanning toe.
Ook weet ik:
De vanderwaalskrachten hangen af van de massa van het molecuul. Hoe groter en zwaarder een molecuul, des te sterker het molecuulrooster.
Je diagram ondersteunt de gedachte van een lineair, maar niet recht evenredig verband tussen de oppervlaktespanning γ en de dichtheid ρ.
Een aanknopingspunt voor een verklaring van dit verband is mogelijk te vinden op
https://en.wikipedia.org/wiki/Jurin%27s_law
waar γ en ρ in de eerste formule staan.
Zie aldaar ook de paragraaf Derivation en de verwijzingen erin.
Hopelijk helpt dit.
Groet, Jaap
Ik snap zowel de formule als de theorie niet zo goed bij de toegevoegde link.
Hoe kan ik uit de formule afleiden dan het een lineair maar niet recht evenredig verband is?
Ook snap ik nog steeds niet zo goed waardoor de oppervlaktespanning toeneemt als de dichtheid toeneemt.
Groetjes,
Faye
In de vakliteratuur is een formule te vinden voor het verband tussen de oppervlaktespanning en de dichtheid van een vloeistof. De relatie is vooral onderzocht voor 'organic liquids', zoals benzeen en methanol. Aan de hand van de dichtheid, de molaire massa en de moleculaire structuur van de stof kun je met de relatie de oppervlaktespanning van een 'organic liquid' berekenen (schatten, voorspellen). Net als in je diagram voldoet water niet aan de relatie.
De theorie hierachter gaat terug op het werk van Van der Waals.
Is dit interessant voor je praktische opdracht? Dan kan ik er meer over schrijven.
Groet, Jaap
Wat u vertelt, lijk mij super interessant!
Groetjes,
Faye
a. In je diagram heb je de oppervlaktespanning γ van een aantal vloeistoffen uitgezet tegen de dichtheid ρ. Uit tabel 11 van Binas blijkt dat het lineaire verband niet algemeen geldt en dat water niet als enige afwijkt. Vergelijk in Binas maar eens γ en ρ van benzeen en chloroform. Of aceton en ether. Of koolstofdisulfide en tetra. Kennelijk hebben ook andere factoren invloed.
Daarom lijkt het slim om voorlopig een groep van 'soortgelijke' vloeistoffen te kiezen. Niet zuivere stoffen vergelijken met mengsels. Of waterige oplossingen met koolwaterstoffen, of polaire met apolaire vloeistoffen, … Alleen al binnen de groep gesmolten metalen blijkt dat 'hoe groter ρ, des te groter γ' niet altijd opgaat, zie gegevens op het internet.
In je diagram staan veel 'organic liquids' (=vloeibare koolwaterstoffen??). Daar is veel onderzoek naar gedaan.
b. Nu beperk ik me tot 'welke factoren?', 'is er verband tussen γ en ρ?' en wat theorie.
Je schrijft dat je het verband van de dichtheid van de vloeistof en de oppervlaktespanning van deze vloeistof moet bepalen. Als je met 'bepalen' doelt op 'meten': daar ga ik nu aan voorbij.
c. Je weet al dat vanderwaalskrachten tussen de moleculen een belangrijke rol spelen.
Honderd jaar geleden was er nog geen theoretische verklaring voor hun invloed op γ.
In 1923 schreef Macleod 'Relation Between Surface Tension and Density'. Dit onderzoek was empirisch: Macleod vond een verband tussen gemeten waarden, geen verklaring.
In 1924 gaf Sugden het verband van Macleod een theoretische basis. Sugdens tekst kan ik niet gratis op het internet vinden, zodat ik het fijne er niet van weet.
In een hoofdstuk uit een dik boek bespreekt Grain methoden om σ (dat is hetzelfde als γ) van een organic liquid te schatten, dat wil zeggen voorspellend te berekenen zonder γ te meten. Methode 1 is gebaseerd op het werk van Macleod en Sugden en wordt nog steeds gebruikt. Zie de bijlage 'macleod-sugden-01'.
Het belangrijkst is nu vergelijking (20-3):
σ is de oppervlaktespanning
ρL is de dichtheid van de vloeistof (Liquid)
M is de molaire massa van de vloeistof
P is de 'parachor', een eenheidloze grootheid die je kunt schatten aan de hand van de structuur van een organisch molecuul.
Met deze vergelijking vindt Grain voor allerlei organische vloeistoffen een waarde van σ die tamelijk goed overeenkomt met de experimenteel bepaalde waarde. Dit ondersteunt het door Macleod geconstateerde en door Sugden verklaarde (?) verband.
Zoals je ziet, is het verband tussen γ en ρ niet lineair.
De oppervlaktespanning van organische vloeistoffen blijkt niet alleen af te hangen van de dichtheid, maar ook van de molaire massa en de molecuulstructuur. Als je van de ene vloeistof overstapt op de andere, kun je niet uit de voeten met een diagram van γ als functie van ρ. Want de andere vloeistof heeft behalve een andere dichtheid ook andere waarden van P en M.
d. Invloed van de dichtheid op de oppervlaktespanning: een theoretische verklaring?
Dit lijkt me het terrein van specialisten op het snijvlak van natuurkunde en scheikunde.
Kwalitatief staat er iets in 'Surface Tension Prediction for Pure Fluids' van Escobedo en Mansoori (1996, zie bijlage). Misschien heb je iets aan pagina 2; de rest is voor de specialisten.
Een meer kwantitatieve benadering is te vinden in 'Density and Temperature Dependencies of
Liquid Surface Tension' van Alizadeh Osgouei et al. (2011, zie bijlage). In een afleiding op p81-82 komt naar voren dat het verband tussen γ en ρ4 voortvloeit uit de Lennard-Jones potentiaal. Dit veel gebruikte model beschrijft hoe de kracht tussen naburige moleculen afhangt van hun onderlinge afstand. Voor het vwo lijkt het me voldoende als je deze achtergrond noemt, zonder de afleiding te geven. (Die snap ik zelf niet…)
https://nl.wikipedia.org/wiki/Lennard-Jones-potentiaal
Overigens onderzoeken Alizadeh Osgouei et al. niet alleen organische vloeistoffen, maar ook vloeibaar CO, CO2 en edelgassen zoals xenon, argon en neon. En zij bespreken de variatie van γ als enkel en alleen ρ verandert door (berekende) compressie van een-en-dezelfde vloeistof. Variatie kan, immers diverse stofeigenschappen zijn niet onveranderlijk. Denk aan de invloed van de temperatuur op de dichtheid (uitzetting) en op de soortelijke weerstand van een metaal.
e. Het bovenstaande is niet bedoeld om je te intimideren met een veel te hoog niveau.
Ik heb gezocht naar een bevredigende eenvoudige verklaring. Die kon ik niet vinden.
Hopelijk kun je toch wat krenten uit de pap vissen.
Groet, Jaap
Dag Jaap,
Ik wil u heel erg bedanken. Ik heb zeer veel aan deze informatie!
Groetjes,
Faye