材料物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)要求1. 班長(zhǎng)按學(xué)號(hào)將每班分成八組；2. 一個(gè)班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)完畢后換另一個(gè)班；3. 班長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師保持聯(lián)系，按照要求規(guī)定的時(shí)間、地點(diǎn)和班級(jí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；4. 預(yù)習(xí)所做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；5. 實(shí)驗(yàn)材料首頁(yè)的“原始數(shù)據(jù)記錄”要求每小組打印一份，手寫(xiě)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)做完經(jīng)指導(dǎo)老師簽字后方可離開(kāi)；6. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告按照“材料物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式”模板進(jìn)行書(shū)寫(xiě)（要求打印模板、手寫(xiě)），要求貼上原始數(shù)據(jù)記錄單，小組內(nèi)成員可以復(fù)印本小組的“原始數(shù)據(jù)記錄”進(jìn)行粘貼；7. 聽(tīng)從指導(dǎo)老師安排，按要求操作設(shè)備；8. 注意實(shí)驗(yàn)安全，保持實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生。材料物理化學(xué)-原始數(shù)據(jù)記錄 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： ；室溫： ；同組學(xué)生： ；

2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日備注：1、上課時(shí)準(zhǔn)備好本記錄紙，實(shí)驗(yàn)中按要求記錄，完成后指導(dǎo)教師進(jìn)行簽名。 2、本記錄要求附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，復(fù)印即可。實(shí)驗(yàn)一 凝聚態(tài)物質(zhì)燃燒焓的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、使用彈式量熱計(jì)測(cè)定萘的燃燒焓。2、了解量熱計(jì)的原理和構(gòu)造，掌握其使用方法。二、實(shí)驗(yàn)原理：在適當(dāng)?shù)臈l件下，許多有機(jī)物都能迅速地完全進(jìn)行氧化反應(yīng)，這就為準(zhǔn)確測(cè)定它們的燃燒熱創(chuàng)造了有利條件。若使被測(cè)物質(zhì)能迅速而完全地燃燒，就需要強(qiáng)有力的氧化劑。在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用壓力為1.5-2 MPa的氧氣作為氧化劑。用氧彈式量熱計(jì)（見(jiàn)實(shí)驗(yàn)裝置部分）進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，氧彈放置在裝有一定量水的金屬水桶中，水桶外是空

3、氣隔熱層，再外面是溫度恒定的夾套。樣品在體積固定的氧彈中燃燒放出的熱、引火絲燃燒放出的熱和由氧氣中微量的氮?dú)庵形⒘康獨(dú)庋趸上跛岬纳蔁幔蟛糠直凰爸械乃?；另一部分則被氧彈、水桶、攪拌器及溫度計(jì)等吸收。在假設(shè)量熱計(jì)與環(huán)境沒(méi)有熱交換的情況下，可寫(xiě)出如下的熱量平衡式：-Qv×a - q×b + 5.98c = Kt （1） （近似平衡）QV被測(cè)物質(zhì)的定容熱值，J·g-1；a 被測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量，g；q 引火絲的熱值，J·g-1（鐵絲為-6.7 kJ·g-1）；b 燒掉的引火絲的質(zhì)量，g；5.98 硝酸生成熱，當(dāng)用0.100 mol·L-

4、1NaOH滴定生成的硝酸時(shí)，每1 mL堿相當(dāng)于5.98J熱量；c 滴定生成硝酸時(shí)，耗用0.100 mol·L-1NaOH的毫升數(shù)；K 量熱計(jì)常數(shù)；t 與環(huán)境無(wú)熱交換時(shí)的真實(shí)溫差。（1）中的a、b、c、q均可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得或?yàn)橐阎?，K值可以通過(guò)測(cè)量一個(gè)已知標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓的標(biāo)準(zhǔn)物而計(jì)算。這樣可以求得待測(cè)物的Qv，通過(guò)Qv可計(jì)算出定容摩爾燃燒熱cUm（公式2），如果把氣體看成理想的，且忽略壓力對(duì)燃燒熱的影響，則可求出標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱（公式3）。cUm= Qv×M （2） M 待測(cè)物的摩爾質(zhì)量定容熱換算為標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱：cHm =cUm +nRT （3）n 燃燒前后氣體的物質(zhì)的量的變

5、化；T 用反應(yīng)的水溫計(jì)算，不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。實(shí)際上，量熱計(jì)并非嚴(yán)格絕熱系統(tǒng)，難免與環(huán)境發(fā)生熱交換，因而從溫度計(jì)上讀得的溫差就不是真實(shí)的溫差t。為此，必須對(duì)讀得的溫差進(jìn)行校正，下面是常用的經(jīng)驗(yàn)公式：t校正=（V+V1）m/2+V1×r （2）真實(shí)溫差t應(yīng)該是：t = t高-t低+t校正V 點(diǎn)火前，每半分鐘量熱計(jì)的平均溫度變化；V1 樣品燃燒使量熱計(jì)溫度達(dá)最高而開(kāi)始下降后，沒(méi)半分鐘的平均溫度變化；m 點(diǎn)火后，溫度上升很快（大于每半分鐘0.3）的半分鐘間隔數(shù)；r 點(diǎn)火后，溫度上升較慢的半分鐘間隔數(shù)。t高 點(diǎn)火后，量熱計(jì)達(dá)到最高溫度后，開(kāi)始下降的第一個(gè)讀數(shù)（點(diǎn)火后溫度升到最高時(shí)，系統(tǒng)還未完

6、全達(dá)熱平衡，而溫度開(kāi)始下降的第一個(gè)度數(shù)則更接近熱平衡溫度）；t低 點(diǎn)火前讀得量熱計(jì)的最低溫度。讀得的數(shù)據(jù)可以畫(huà)成溫度、時(shí)間曲線。如圖1所示圖1 氧彈法測(cè)量燃燒焓的溫升示意圖三、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑氧彈式熱量計(jì)，精密電子天平，電子天平SE2020，數(shù)顯萬(wàn)用表，氧氣鋼瓶，氧氣減壓閥，萘（分析純）四、實(shí)驗(yàn)裝置：圖2 氧彈量熱計(jì)裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖3 氧彈量熱計(jì)裝置照片五、實(shí)驗(yàn)步驟： 1、先粗稱(chēng)萘，壓片，再準(zhǔn)確稱(chēng)量。2、打開(kāi)氧彈蓋，將蓋放在專(zhuān)用架上。3、剪取引火絲，精確稱(chēng)量，將引火絲貫穿藥片，固定引火絲使藥片懸在坩堝上方。4、擰緊氧彈蓋，將氧彈放好。充氧。5、量取3升自來(lái)水裝入干凈的銅水桶中。放入氧彈，接好點(diǎn)火

7、電線，裝上熱電偶，蓋好蓋子，開(kāi)動(dòng)攪拌器。6、待溫度穩(wěn)定，每隔半分鐘讀數(shù)一次，先讀10個(gè)數(shù)據(jù)，然后立即按電鈕點(diǎn)火。7、繼續(xù)每半分鐘讀數(shù)，至溫度開(kāi)始下降后，再讀取最后階段的10次讀數(shù)，停止實(shí)驗(yàn)。8、實(shí)驗(yàn)完畢，清洗儀器，關(guān)閉電源，整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)。六、數(shù)據(jù)記錄與處理1、列出記錄表格，計(jì)算t校正，計(jì)算量熱計(jì)常數(shù)。室溫： ；大氣壓： ；實(shí)驗(yàn)日期： 萘的質(zhì)量： ；點(diǎn)火絲質(zhì)量： ；剩余點(diǎn)火絲質(zhì)量： ；表一：萘的氧化升溫表序號(hào)溫差序號(hào)溫差117218319420521622723824925102611（點(diǎn)火）27122813291430153116322、做升溫曲線圖。3、計(jì)算萘的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱cHm。七、思考討

8、論1、寫(xiě)出樣品燃燒過(guò)程的反應(yīng)方程式。說(shuō)明如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的Qv求出cHm。2、將計(jì)算的萘的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱cHm與文獻(xiàn)值比較，思考誤差來(lái)源。八、注意事項(xiàng)1、壓片時(shí)，應(yīng)注意壓片機(jī)的清潔，不能混入其它雜質(zhì)。2、樣品應(yīng)懸在坩堝上面，應(yīng)防止引火絲與坩堝相碰。3、實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意水桶中的水溫與環(huán)境的溫度，如果水溫比環(huán)境溫度低，應(yīng)在夾套中加入比水桶溫度低1.5左右的水。4、測(cè)溫時(shí)，應(yīng)先按零，然后按鎖定鍵，否則實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度可能會(huì)從溫差跳回過(guò)溫度，造成實(shí)驗(yàn)失敗。實(shí)驗(yàn)二 金屬材料二組分合金相圖一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、理解步冷曲線，學(xué)會(huì)用熱分析法測(cè)繪錫-鉍合金相圖。2、理解產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象的原因及避免產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象的方法。二、實(shí)

9、驗(yàn)原理：用幾何圖形來(lái)表示多相平衡體系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相對(duì)量是多少，以及它們之間隨濃度、溫度、壓力等變量變化的關(guān)系圖叫相圖。將一種合金或金屬熔融后，使之逐漸冷卻，每隔一定時(shí)間記錄一次溫度，表示溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱(chēng)為步冷曲線。當(dāng)熔融系統(tǒng)在均勻冷卻過(guò)程中沒(méi)有相的變化，其將連續(xù)均勻下降，得到一條平滑的冷卻曲線；如在冷卻過(guò)程中發(fā)生了相變，則因放出相變熱，使熱損失有所抵償，冷卻曲線就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折或水平線段，轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度，即為該組成合金的相變溫度。對(duì)于簡(jiǎn)單的低共熔二元系統(tǒng)，具有圖1所示的三種形狀的步冷曲線。測(cè)定一系列質(zhì)量百分比含量不同的樣品的步冷曲線，找出各相應(yīng)體系發(fā)生相變的溫度，

10、即可繪出合金相圖，如圖2所示。用熱分析法測(cè)繪相圖時(shí)，被測(cè)系統(tǒng)必須時(shí)時(shí)處于或接近相平衡狀態(tài)，因此系統(tǒng)的冷卻速度必須足夠慢才能得到較好的結(jié)果。圖1 典型的步冷曲線圖2 一系列不同質(zhì)量百分比含量的合金步冷曲線及相圖。三、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑氧彈式熱量計(jì)，精密電子天平，電子天平SE2020，數(shù)顯萬(wàn)用表，氧氣鋼瓶，氧氣減壓閥，萘（分析純）不銹鋼試樣管8個(gè)，純鉍，純錫，松香或石墨。四、實(shí)驗(yàn)裝置：圖2 裝置示意圖1 電源；2 控溫儀；3 熱電偶；4 熱電偶外套；5 不銹鋼樣品管；6 試樣；7 電爐圖3 二組分合金相圖裝置照片五、實(shí)驗(yàn)步驟： 1、配置樣品：用精度為0.1g的電子天平分別配置鉍含量為0%，30%，58

11、%，80%，100%的錫鉍混合物各100g，分別放入8個(gè)不銹鋼管中，用松香或石墨覆蓋防止氧化。2、仔細(xì)閱讀設(shè)備說(shuō)明書(shū)，對(duì)照進(jìn)行試操作，熟悉設(shè)備的性能和操作規(guī)程，熟悉電腦中相關(guān)軟件的使用方法。3、將裝入樣品的不銹鋼管放入升降溫爐中，插上熱電偶。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱，此時(shí)爐內(nèi)溫度會(huì)繼續(xù)升高，待升溫到金屬熔點(diǎn)以上，取出搖勻不銹鋼管中的混合物，再插入爐中自然冷卻。4、開(kāi)始記錄降溫?cái)?shù)據(jù)，至降至合適溫度為止。5、試驗(yàn)完成，處理數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源，整理試驗(yàn)臺(tái)。六、數(shù)據(jù)記錄與處理室溫： ；大氣壓： ；實(shí)驗(yàn)日期： 表一：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表0 %30 %58 %80 %100 %TtTtTtTtTt七、思考討論1、

12、金屬熔融系統(tǒng)冷卻時(shí)，步冷曲線為什么出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)？純金屬、低共熔金屬及合金等的轉(zhuǎn)折點(diǎn)各有幾個(gè)？曲線形狀為何不同？2、有時(shí)在出現(xiàn)固相的步冷曲線轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)凹陷的小彎，是什么原因造成的？八、注意事項(xiàng)1、溫度設(shè)定合理，升降溫電爐的功率較大，如果溫度設(shè)置過(guò)高會(huì)造成爐內(nèi)溫度繼續(xù)升高并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)定溫度，導(dǎo)致設(shè)備超過(guò)測(cè)量極限，損壞設(shè)備，使降溫速度過(guò)慢，增加實(shí)驗(yàn)時(shí)間。2、不要用手觸摸高溫不銹鋼樣品管，以免燙傷。3、認(rèn)真閱讀測(cè)試軟件的附件材料，熟悉軟件操作和參數(shù)設(shè)定。實(shí)驗(yàn)三 凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠媚厅c(diǎn)降低法測(cè)定萘的摩爾質(zhì)量。二、實(shí)驗(yàn)原理溶液的凝固點(diǎn)通常指溶劑和溶質(zhì)不生成固溶體的情況下，固態(tài)純?nèi)軇┖鸵?/p>

13、態(tài)溶液成平衡時(shí)的溫度。當(dāng)溶液濃度很稀時(shí)，溶液的凝固點(diǎn)降低與溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度成正比： (3-1) （3-2） （3-3）式中：Tf凝固點(diǎn)降低，K；b溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度，mol·kg-1；Kf凝固點(diǎn)降低常數(shù)，K·kg·mol-1；Wa溶劑的質(zhì)量，g； Wb溶質(zhì)的質(zhì)量，g；Mb溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量g/mol，g。（注：環(huán)已烷Kf=20.0）。純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)是其液固共存的平衡溫度。將純?nèi)軇┲鸩嚼鋮s時(shí)，在未凝固之前溫度將隨時(shí)間均勻下降。開(kāi)始凝固后由于放出凝固熱而補(bǔ)償了熱損失，體系將保持液固兩相共存的平衡溫度不變，直到全部凝固，再繼續(xù)均勻下降。但在實(shí)際過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象，其冷

14、卻曲線如圖2.3.1(a)。溶液的凝固點(diǎn)是溶質(zhì)與溶劑的固相共存的平衡溫度。其冷卻曲線與純?nèi)軇┎煌．?dāng)有溶劑凝固析出時(shí)，剩下溶液的濃度逐漸增大，因而溶液的凝固點(diǎn)也逐漸下降如圖2.3.1 (b)，故須用外推法求Tf。三、儀器與試劑儀器裝置見(jiàn)圖2.3.2。電子貝克曼溫度計(jì)，凝固點(diǎn)測(cè)定儀。分析純萘丸；分析純環(huán)已烷。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 將冰敲成碎塊，冬天可于冰浴槽裝三分之一的冰，三分之二的水，夏天宜冰水各半(冰塊適量增大)，適當(dāng)加以攪拌保持冰水浴3左右，可隨時(shí)加減冰和水調(diào)節(jié)。2. 打開(kāi)電子貝克曼溫度計(jì)，將“溫度溫差”按鈕置于“溫度”位置，預(yù)熱十分鐘以上，按圖組裝好儀器(如圖2.3.2)。3. 用移液管移取

15、30ml環(huán)已烷加入干凈的干燥的凝固點(diǎn)測(cè)定儀內(nèi)管中，安裝好電子貝克曼溫度計(jì)和玻璃攪拌器，溫度計(jì)居中，下端距管底約1cm。用木塞塞好管口。4. 先把測(cè)定儀的內(nèi)管直接放入冰水中，均勻攪拌，記錄其溫度變化，粗測(cè)凝固點(diǎn)的溫度，如液體過(guò)冷超過(guò)0.2仍不結(jié)晶，則可沾一滴環(huán)已烷晶種(由冰水浴中另一小試管制得)加到提起的攪拌器上，繼續(xù)攪拌即可促使結(jié)晶。5. 按圖2.3.2組裝好儀器（此時(shí)內(nèi)管放置于外管組成空氣夾套），嚴(yán)格按照要求測(cè)定環(huán)己烷的凝固點(diǎn)溫度。每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，在凝固點(diǎn)附近每半分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。重復(fù)三次測(cè)定溶液凝固點(diǎn)。6. 用分析天平稱(chēng)取0.150.20g純萘丸投入內(nèi)管中，立即塞好管口，攪拌使萘完全溶

16、解，按照步驟4、5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，在凝固點(diǎn)附近每半分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。重復(fù)三次測(cè)定溶液凝固點(diǎn)。 圖2.3.1冷卻曲線 圖2.3.2 凝固點(diǎn)測(cè)定裝置五、數(shù)據(jù)記錄與處理（室溫： ；大氣壓： ； 實(shí)驗(yàn)日期： ）1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄錄參見(jiàn)表2.3.1和表2.3.2所示。表2.3.1：凝固點(diǎn)降低測(cè)萘的摩爾質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄溶劑凝固點(diǎn)的測(cè)定（粗測(cè)）時(shí)間/min溫度/12溶劑凝固點(diǎn)的測(cè)定（精測(cè)）時(shí)間/min溫度/12表2.3.2：凝固點(diǎn)降低測(cè)萘的摩爾質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄溶液凝固點(diǎn)的測(cè)定（粗測(cè)）時(shí)間/min溫度/12溶液凝固點(diǎn)的測(cè)定（精測(cè)）時(shí)間/min溫度/122.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，參照?qǐng)D2.3.1作圖，用外推法確定環(huán)

17、已烷凝固點(diǎn)和溶液凝固點(diǎn)，計(jì)算；3.由環(huán)己烷的密度、體積，求取環(huán)己烷的質(zhì)量，再有公式（3-1）（3-3）計(jì)算萘的摩爾質(zhì)量。六、思考題1. 什么叫凝固點(diǎn)? 凝固點(diǎn)降低的公式在什么條件下才適用?它能否用于電解質(zhì)溶液?2. 為什么會(huì)產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象?3. 為什么要使用空氣夾套？過(guò)冷太甚有何弊?。?. 測(cè)定環(huán)已烷和萘丸質(zhì)量時(shí)，精密度要求是否相同?為什么?七、教學(xué)討論1. 根據(jù)稀溶液依數(shù)性，用凝固點(diǎn)下降法測(cè)得的是數(shù)均摩爾質(zhì)量。因此在測(cè)定大分子物質(zhì)時(shí)必須先除去其中所含溶劑和小分子物質(zhì)，否則它們將給結(jié)果帶來(lái)很大影響。2. 用凝固點(diǎn)下降法測(cè)摩爾質(zhì)量往往與所用溶劑類(lèi)型和溶液濃度有關(guān)。如被測(cè)物質(zhì)在溶劑中產(chǎn)生締合，離解或

18、溶劑化等現(xiàn)象都會(huì)得出不正確的結(jié)果。3. 在不同濃度下進(jìn)行測(cè)定后再外推至無(wú)限稀可得較好的結(jié)果。4. 環(huán)已烷的Kf=20.2，較苯的Kf=5.12大4倍，且其毒性較小，故教學(xué)實(shí)驗(yàn)宜選用環(huán)已烷作溶劑。5. 用電子溫度貝克曼計(jì)代替貝克曼溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是熱敏電阻熱容量小，操作輕便，簡(jiǎn)單直觀，便于用外推法得到比較準(zhǔn)確的凝固點(diǎn)。八、課余實(shí)踐1. 凝固點(diǎn)降低法具有設(shè)備簡(jiǎn)單，不受外壓的影響(相對(duì)于沸點(diǎn)升高法)，低溫操作溶劑揮發(fā)損失小，一般溶劑均有較大的凝固點(diǎn)下降常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。2. 樟腦具有較大的凝固點(diǎn)降低常數(shù)，因而對(duì)大分子物質(zhì)的測(cè)定有利。但須注意市售樟腦不純其Kf值應(yīng)重作測(cè)定。如果待測(cè)物質(zhì)不溶于樟腦或與樟腦有反應(yīng)，

19、以及加熱到樟腦熔點(diǎn)(178)即行分解，則亦不適用。3. 測(cè)定凝固點(diǎn)可以鑒別物質(zhì)的純度。實(shí)驗(yàn)四 溶液表面張力的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握最大氣泡壓力法測(cè)定溶液表面張力的原理和技術(shù)；2、測(cè)定不同濃度溶液的表面張力，計(jì)算吸附量； 3、了解氣液界面的吸附作用，計(jì)算表面層被吸附分子的截面積和吸附層的厚度。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1表面張力和表面吸附表面張力是液體的重要性質(zhì)之一，它是因表面層分子受力不均衡所引起的。在一個(gè)液體的內(nèi)部，任何分子周?chē)奈κ瞧胶獾摹？墒窃谝后w表面層的分子卻不相同。因?yàn)橐后w表面層的分子一方面受到液體內(nèi)層的臨近分子的吸引，另一方面受到液體外部氣體分子的吸引，而且前者的作用力比后者大。因此在

20、液體表面表面層中，每個(gè)分子都受到垂直于并指向液體內(nèi)部的不平衡力，如圖1所示。這種吸引力使表面上的分子向內(nèi)擠，促成液體的最小面積。因此，液體都有自動(dòng)縮小表面積的趨勢(shì)，液體表面縮小是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。圖1 液體表面與分子內(nèi)部受力情況圖從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，液體表面縮小是使系統(tǒng)總吉布斯函數(shù)減小的一個(gè)自發(fā)過(guò)程，如要使液體的表面積增大，就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功，增加分子的位能，所以說(shuō)分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這位能就是表面自由能。如欲使液體表面面積增加S時(shí)，就需對(duì)其做表面功，其大小應(yīng)與S成正比，系數(shù)為即為表面張力： W =×S (式1) 比例系數(shù)從能量的角度被稱(chēng)為比表面吉布斯函數(shù)，即

21、為恒溫恒壓下形成1m2新表面所需的可逆功，其單位為Jm-2。從物理學(xué)力的角度看，可被理解為沿著表面和表面相切、垂直作用于單位長(zhǎng)度相界面線段上的表面緊縮力，即表面張力，其單位是Nm-1。液體的表面張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，表面張力愈小。到達(dá)臨界溫度時(shí)，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。液體的表面張力也與液體的純度有關(guān)，在純凈的液體(溶劑)中如果摻進(jìn)雜質(zhì)(溶質(zhì))，表面張力就要發(fā)生變化，其變化的大小，決定于溶質(zhì)的本性和加入量的多少。   在定溫下純液體的表面張力為定值，當(dāng)加入溶質(zhì)形成溶液時(shí)，分子間的作用力發(fā)生變化，表面張力也發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的性質(zhì)和加入量

22、的多少。水溶液表面張力與其組成的關(guān)系大致有以下三種情況：（1）隨溶質(zhì)濃度增加表面張力略有升高；（2）隨溶質(zhì)濃度增加表面張力降低，并在開(kāi)始時(shí)降得快些；（3）溶質(zhì)濃度低時(shí)表面張力就急劇下降，于某一濃度后表面張力幾乎不再改變。以上三種情況溶質(zhì)在表面層的濃度與體相中的濃度都不相同，這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時(shí)，表面層中溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時(shí)，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低。在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度之間的關(guān)系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程： （式2）式中，

23、為溶質(zhì)在表面層的吸附量；為表面張力；c為吸附達(dá)到平衡時(shí)溶質(zhì)的濃度。 圖2 表面張力和濃度關(guān)系圖引起溶劑表面張力顯著降低的物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)，>0，即產(chǎn)生正吸附的物質(zhì)；反之稱(chēng)為表面惰性物質(zhì)，<0，即產(chǎn)生負(fù)吸附的物質(zhì)。被吸附的表面活性物質(zhì)分子在界面層中的排列，決定于它在液層中的濃度，這可由圖1看出。 圖1 被吸附的分子在界面上的排列 圖1中(1)和(2)是不飽和層中分子的排列，(3)是飽和層分子的排列。當(dāng)界面上被吸附分子的濃度增大時(shí)，它的排列方式在不斷改變，最后，當(dāng)濃度足夠大時(shí)，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層，分子排列方式如圖1中(3)所示。這樣的吸附層是單分子層，隨著

24、表面活性物質(zhì)的分子在界面上愈益緊密排列，則此界面的表面張力也就逐漸減小。如果在恒溫下繪成曲線=f(c)(表面張力等溫線)，當(dāng)c增加時(shí)，在開(kāi)始時(shí)顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來(lái)，以至的變化很小，這時(shí)的數(shù)值恒定為某一常數(shù)(見(jiàn)圖2)。利用此圖求出其在一定濃度時(shí)曲線的切線斜率，代入吉布斯吸附方程就可求得表面吸附量。或者在曲線上某一濃度c點(diǎn)作切線與縱坐標(biāo)交于b點(diǎn)，再?gòu)那悬c(diǎn)a作平行于橫坐標(biāo)的直線，交縱坐標(biāo)于b點(diǎn)，以Z表示切線和平行線在縱坐標(biāo)上截距間的距離，故有： （3）根據(jù)朗格繆爾公式： （4）其中 為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時(shí)的吸附量，整理可得： （5）以 c/ 對(duì) c 作圖，得一直線，該直

25、線的斜率為1/，即可求得飽和吸附量。由所求得的 代入： （6），可求被吸附分子的截面積(L為阿佛加得羅常數(shù))。若已知密度，分子量M，可計(jì)算吸附層厚度 （7）2、最大泡壓法測(cè)表面張力本實(shí)驗(yàn)用氣泡最大壓力法測(cè)定溶液的表面張力，其儀器裝置如圖2所示：圖2 最大泡壓測(cè)表面張力的裝置示意圖圖中1、恒溫套管；2、毛細(xì)管(r在0.150.2mm)；3、壓力計(jì)；4、分液漏斗；5、吸濾瓶；6、連接橡皮管。將待測(cè)表面張力的液體裝于表面張力儀中，使毛細(xì)管的端面與液面相切，液面即沿毛細(xì)管上升，打開(kāi)抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，毛細(xì)管內(nèi)液面上受到一個(gè)比A瓶中液面上大的壓力，當(dāng)此壓力差-附和壓力(p=p大氣-p系統(tǒng))。如果毛細(xì)管

26、半徑很小，則形成的氣泡基本上時(shí)球形的。當(dāng)氣泡開(kāi)始形成時(shí)，表面幾乎時(shí)平的，這時(shí)曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成球形，這時(shí)的曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等，曲率半徑達(dá)最小值，根據(jù)下式這時(shí)附加壓力達(dá)到最大值。氣泡進(jìn)一步長(zhǎng)大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。此時(shí)附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，遵循拉普拉斯公式，R=r時(shí)的最大附加壓力為： p=2/r （5）式中，p為附加壓力；為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。實(shí)際測(cè)量時(shí)，使毛細(xì)管端與液面接觸，則可忽略氣泡鼓泡所需克服的靜壓力，這樣就可直接用上式進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)將其它參數(shù)合并為常數(shù)K時(shí)，則上式變?yōu)椋?=Kp （6）

27、式中的儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)得。 在實(shí)驗(yàn)中，如果使用同一支毛細(xì)管和壓力計(jì)，則可以用已知表面張力的液體為標(biāo)準(zhǔn)（如蒸餾水），分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物和待測(cè)物的最大附加壓力，通過(guò)對(duì)比計(jì)算求未知液體的表面張力，其中水/ p水則被稱(chēng)為儀器常數(shù)： （9）根據(jù)此法所測(cè)得的表面張力，使用上面介紹的方法就可以求出所測(cè)物質(zhì)在溶液中的飽和吸附量、被吸附分子的截面積和吸附層厚度。三、實(shí)驗(yàn)儀器、試劑1、實(shí)驗(yàn)儀器：超級(jí)恒溫槽，最大氣泡壓力法表面張力儀，洗耳球，燒杯（50ml），乳膠管兩根，鐵架臺(tái)，十字夾，鐵夾各2個(gè)，膠頭滴管。2、實(shí)驗(yàn)試劑：乙醇，正庚醇，蒸餾水，自來(lái)水，凡士林。四、實(shí)驗(yàn)步驟1儀器準(zhǔn)備與檢漏將測(cè)定管先用洗液洗凈，再順次用自來(lái)水和蒸餾水漂洗，以保證不要在玻璃面上留有水珠，使毛細(xì)管有很好的潤(rùn)濕性。裝配、使用乳膠管連接好儀器，保證系統(tǒng)不漏氣。調(diào)節(jié)恒溫水浴溫度為25。2儀器常數(shù)的測(cè)量將大量自來(lái)水注入減壓管中。在測(cè)定管中裝入蒸餾水，調(diào)節(jié)液面，使之恰好與毛細(xì)管尖端相切。在減壓管上端活塞打開(kāi)通大氣時(shí)，壓差計(jì)采零，再關(guān)閉通