物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力

1、最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力、目的要求1、了解表面張力的性質(zhì)、表面自由能的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系。2、掌握用最大氣泡壓法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)。 3、測(cè)定不同濃度乙醇水溶液的表面張力，計(jì)算表面吸附量和乙醇分子的橫截面積。、實(shí)驗(yàn)原理 1、表面自由能 從熱力學(xué)觀點(diǎn)來看，液體表面縮小是一個(gè)自發(fā)過程，這是使體系總自由能減小的過程，欲使液體產(chǎn)生新的表面A，就需對(duì)其做功，其大小應(yīng)與A成正比： W·A （1） 它表示液體表面自動(dòng)縮小趨勢(shì)的大小，稱為比表面自由能，其量綱為J·m-2。因其量綱又可以寫成N·m1，所以還可稱為表面張力。其量值與溶液的成分、溶質(zhì)的濃度、溫度及表

2、面氣氛等因素有關(guān)。 2、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，這種表面濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。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： （2） 式中：為溶質(zhì)在氣液界面上的吸附量（單位為mol·m-2）；T為熱力學(xué)溫度（K）；c為稀溶液濃度（mol·L-1）；R為摩爾氣體常數(shù)。 當(dāng) < 0時(shí)，> 0稱為正吸附；當(dāng) > 0時(shí)，< 0稱為負(fù)吸附。 前

3、者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力下降，此類物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)；后者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力升高，此類物質(zhì)叫非表面活性物質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定正吸附情況。3、飽和吸附量和溶質(zhì)分子的橫截面積在一定的溫度下，吸附量與濃度c之間的關(guān)系，可用Langmuir吸附等溫式表示 （3）式中為飽和吸附量，K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值與溶質(zhì)的表面活性大小有關(guān)。將上式兩邊取倒數(shù)，即可化成如下直線方程（4）以c/對(duì)c作圖，得一直線，該直線的斜率為 。如果以N代表1m2表面上溶質(zhì)的分子數(shù)，則有：(5) 其中：L為阿伏加德羅常數(shù)，由此可得每個(gè)溶質(zhì)分子在表面上所占據(jù)的橫截面積為： （6） 4、表面張力的測(cè)定方法最大泡壓法 當(dāng)毛細(xì)管下端端面與被

4、測(cè)液體液面相切時(shí)，液體沿毛細(xì)管上升。打開抽氣瓶（滴液漏斗）的活塞緩緩放水抽氣，此時(shí)測(cè)定管中的壓力Pr逐漸減小，毛細(xì)管中的大氣壓P0就會(huì)將管內(nèi)液面壓至管口，并形成氣泡。其曲率半徑恰好等于毛細(xì)管半徑r時(shí)，根據(jù)拉普拉斯（Laplace）公式，此時(shí)能承受的壓力差最大： (7) 隨著放水抽氣，大氣壓力將把該氣泡壓出管口。曲率半徑再次增大，此時(shí)氣泡表面膜所能承受的壓力差必然減少，而測(cè)定管中的壓力差卻在進(jìn)一步加大，故立即導(dǎo)致氣泡的破裂。最大壓力差可通過數(shù)字式微差測(cè)量?jī)x得到。用同一個(gè)毛細(xì)管分別測(cè)定具有不同表面張力（1和2）的溶液時(shí)，可得下列關(guān)系 （8）其中：K' 稱為毛細(xì)管常數(shù)，可用已知表面張力的物質(zhì)

5、來確定。、儀器 試劑表面張力測(cè)定裝置 恒溫水浴阿貝折光儀 滴管燒杯（20ml） 乙醇（分析純）、實(shí)驗(yàn)操作步驟1、配置溶液：用稱重法粗略配制5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%的乙醇水溶液各50ml待用。2、調(diào)節(jié)恒溫水浴至25（或30）。3、測(cè)定毛細(xì)管常數(shù)： 將玻璃溶液認(rèn)真洗滌干凈，在測(cè)試管中注入蒸餾水，使管內(nèi)液面剛好與毛細(xì)管口相接觸，至于恒溫水浴內(nèi)恒溫10min。毛細(xì)管需垂直并注意液面位置，然后按圖接好測(cè)量系統(tǒng)。慢慢打開抽氣瓶活塞，注意氣泡形成的速率應(yīng)保持穩(wěn)定，通?？刂圃诿糠昼?-12個(gè)氣泡為宜，即數(shù)字微壓微壓差測(cè)量?jī)x的讀數(shù)（瞬間最大壓差）約在700-800p

6、a之間。讀數(shù)3次，取平均值。4、測(cè)量乙醇溶液的表面張力 按實(shí)驗(yàn)步驟三分別測(cè)量不同濃度的乙醇溶液。從稀到濃依次進(jìn)行。每次測(cè)量前必須用少量被測(cè)溶液洗滌試管，尤其是毛細(xì)管部分，確保毛細(xì)管內(nèi)外溶液的濃度一致。 5、分別測(cè)定乙醇溶液的折光率、數(shù)據(jù)記錄與處理 1.數(shù)據(jù)記錄：項(xiàng)目微壓差p(kpa)折光率n水-0.7651.33255%乙醇-0.6631.335510%乙醇-0.5931.338015%乙醇-0.5391.340620%乙醇-0.5091.343525%乙醇-0.4781.346530%乙醇-0.4521.349135%乙醇-0.4501.351640%乙醇-0.4221.

7、35392.數(shù)據(jù)處理：（1）以純水的測(cè)量結(jié)果按方程計(jì)算K值。解得K=1p1=71.97*10-3N*m-1/(-0.765kpa)=0.094（2）根據(jù)所測(cè)折光率，由實(shí)驗(yàn)提供的濃度-折光率工作曲線查出各溶液的濃度。項(xiàng)目折光率n濃度mol/L5%乙醇1.33550.89610%乙醇1.33801.70615%乙醇1.34062.44520%乙醇1.34353.21725%乙醇1.34654.10330%乙醇1.34914.81635%乙醇1.35165.47940%乙醇1.35396.365（3）分別計(jì)算各種濃度溶液的值壓力差P/Kpa折光率溶液濃度/mol*L-1表面張力(d/dc)Tc/mo

8、lm25%乙醇-0.6631.33550.8960.0623-7.445632717310%乙醇-0.5931.33801.7060.0557-6.311638595615%乙醇-0.5391.34062.4450.0507-5.277046162620%乙醇-0.5091.34353.2170.0478-4.196258052625%乙醇-0.4781.34654.1030.0449-2.955882414330%乙醇-0.4521.34914.8160.0425-1.9576124438235%乙醇-0.4501.35165.4790.0423-1.0294236642940%乙醇-0.4

9、221.35396.3650.03970.2110-11545033（4）作-c圖，并在曲線上取10個(gè)點(diǎn)，求得相應(yīng)的斜率為(d/dc)TY=0.0007X2-0.0087X+0.0689 R2=0.9918求導(dǎo)得Y=0.0014X-0.0087 將(d/dc)T的值填入上表（5）根據(jù)方程求算各濃度的吸附量，作出c/-c圖，由直線斜率求取，并計(jì)算B值。Y=151011X+142371直線斜率為151011則=1/151011=6.62 E-6計(jì)算分子截面積：A = 1/6.62E-6 /6.02E23 = 2.51E-19 m2計(jì)算吸附層厚度： = M / = 6.62E-6* 46.07/0.

10、7852E6 = 3.88E-10(m)、問題討論1、在測(cè)量中，如果抽氣速度過快，對(duì)測(cè)量結(jié)果有何影響?答：本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于控制抽氣速率，氣泡形成的速率應(yīng)保持穩(wěn)定，若抽氣速率過快，氣泡形成過快，使測(cè)量讀數(shù)偏高，影響測(cè)量結(jié)果。即氣泡逸出速度太快，氣泡的形成與逸出速度快而不穩(wěn)定；致使壓力計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定，不易觀察出其最高點(diǎn)而起到較大的誤差。2、 如果將毛細(xì)管末端插入溶液內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量行嗎？為什么？答：不行。如果那樣做就會(huì)在毛細(xì)管中產(chǎn)生一段水柱，產(chǎn)生壓力，則測(cè)定管中的壓力就會(huì)變大，使測(cè)量結(jié)果變大。即將毛細(xì)管末端插入到溶液內(nèi)部時(shí)，毛細(xì)管內(nèi)會(huì)有一段水柱，產(chǎn)生壓力P，則測(cè)定管中的壓力Pr會(huì)變小，pmax會(huì)變大，測(cè)量結(jié)果偏大。 3、本實(shí)驗(yàn)中為什么要讀取最大壓力差？答：如果毛細(xì)管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時(shí)，表面幾乎是平的，這時(shí)曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時(shí)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)拉普拉斯(Laplace)公式，此時(shí)能承受的壓力差為最大：pmax = p0 - pr = 2/。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。最大壓力差可通過數(shù)