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07應(yīng)化1w 07331120 宋強(qiáng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)定不同濃度乙醇水溶液的表面張力，計(jì)算表面吸附量和溶質(zhì)分子的橫截面積；  2、了解表面張力的性質(zhì)，比表面吉布斯函數(shù)的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系；3、掌握用最大氣泡法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理   1比表面吉布斯函數(shù)    從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，液體表面縮小是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，這是使體系總的比表面吉布斯函數(shù)減小的過(guò)程。如欲使液體產(chǎn)生新的表面A，則需要對(duì)其做功。功的大小應(yīng)與A成正比：式中為液體的比表面吉布斯函數(shù)，亦稱(chēng)表面張力。它表示了液

2、體表面自動(dòng)縮小趨勢(shì)的大小，其量值與液體的成分、溶質(zhì)的濃度、溫度及表面氣氛等因素有關(guān)。2溶液的表面吸附      純物質(zhì)表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此純液體降低比表面吉布斯函數(shù)的惟一途徑是盡可能縮小其表面積。對(duì)于溶液，由于溶質(zhì)能使溶劑表面張力發(fā)生變化，因此可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的濃度來(lái)降低比表面吉布斯函數(shù)。根據(jù)能量最低原則，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時(shí)，表面層溶質(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)，表面層中的濃度比內(nèi)部的濃度低。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。顯然，在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液

3、的表面張力及溶液的濃度有關(guān)，從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：式中：為表面吸附量(單位：mol·m-2)；T為熱力學(xué)溫度(單位：K)；C為稀溶液濃度(單位：molL1)； R為氣體常數(shù)。若 <o，P>0，稱(chēng)為正吸附；若  >o，則P<0，稱(chēng)為負(fù)吸附。本實(shí)驗(yàn)研究正吸附情況。    有一類(lèi)物質(zhì)，溶入溶劑后，能使溶劑的表面張力降低，這類(lèi)物質(zhì)被稱(chēng)為表面活性物質(zhì)。表面活性物質(zhì)具有顯著的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，它們是由親水的極性基團(tuán)和憎水的非極性基團(tuán)構(gòu)成的。對(duì)于有機(jī)化合物來(lái)說(shuō)，表面活性物質(zhì)的極性部分一般為

4、-NH+3，-OH，-SH，-COOH，-SO2OH等。乙醇就屬這樣的化合物。它們?cè)谒芤罕砻媾帕械那闆r隨其濃度不同而異。如圖A所示，濃度很小時(shí)，分子可以平躺在表面上；濃度增大時(shí)，分子的極性基團(tuán)取向溶液內(nèi)部，而非極性基團(tuán)基本上取向空間；當(dāng)濃度增至一定程度，溶質(zhì)分子占據(jù)了所有表面，就形成飽和吸附層。    以表面張力對(duì)濃度作圖，可得到-c曲線，如圖B所示。從圖中可以看出，在開(kāi)始時(shí)隨濃度增加而迅速下降，以后的變化比較緩慢。             &

5、#160; 在-c曲線上任選一點(diǎn)i作切線，即可得該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)濃度Ci的斜率(d/dci)，再由Gibbs吸附方程式，可求得不同濃度下的T值。3飽和吸附與溶質(zhì)分子的橫截面積    吸附量與濃度C之間的關(guān)系，可用郎格茂(Langmuir)吸附等溫式表示：式中為飽和吸附量；K為常數(shù)。將上式取倒數(shù)可得：作圖，直線斜率的倒數(shù)即為。如果以N代表1 m2表面上溶質(zhì)的分子數(shù)，則有：式中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：因此，若測(cè)得不同濃度的溶液的表面張力，從-c曲線上求出不同濃度的吸附量P，再?gòu)腜-c直線上求出T，便可計(jì)算出溶質(zhì)分子的橫截面積S。4最

6、大氣泡法測(cè)定表面張力    測(cè)定表面張力的方法很多。本實(shí)驗(yàn)用最大氣泡法測(cè)定乙醇水溶液的表面張力，其實(shí)驗(yàn)裝置和原理如圖C所示。    將被測(cè)液體裝于測(cè)定管中，使玻璃管下端毛細(xì)管端面與液面正好相切，液面沿毛細(xì)管上升。打開(kāi)抽氣瓶的活塞緩緩放水抽氣，則測(cè)定管中的壓力戶逐漸減小，毛細(xì)管中壓力p0就會(huì)將管中液面壓至管口，并形成氣泡，其曲率半徑由大而小，直至恰好等于毛細(xì)管半徑r，根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式，這時(shí)能承受的壓力差也最大：隨后大氣壓力將把此氣泡壓出管口，曲率半徑再次增大，因此氣泡表面膜所能承受的壓力差必然減少，實(shí)際上測(cè)定管中的壓力

7、差卻在進(jìn)一步加大，所以立即導(dǎo)致氣泡的破裂。最大壓力差可通過(guò)數(shù)字壓力計(jì)測(cè)得。用同一根毛細(xì)管分別測(cè)定具有不同表面張力的溶液時(shí)，可得下列關(guān)系1 =r/2P1 2 =r/2P21 = K P三、儀器與試劑儀器：表面張力測(cè)定裝置1套，恒溫水浴1套，阿貝折射儀1臺(tái)，洗耳球1個(gè)， 200mL燒杯1只試劑：乙醇(分析純)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、配制溶液     用稱(chēng)重法粗略配制5，10，15，20，25，30，35，40的乙醇水溶液待用。2、測(cè)定儀器常數(shù)    調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為25。將儀器認(rèn)真洗滌干凈，在測(cè)定管中注入蒸餾水，使管內(nèi)液面剛好與毛細(xì)管口相接觸，置

8、于恒溫水浴內(nèi)恒溫10min。注意使毛細(xì)管保持垂直并注意液面位置，然后按圖C接好系統(tǒng)。慢慢打開(kāi)抽氣瓶活塞，進(jìn)行測(cè)定。注意氣泡形成的速度應(yīng)保持穩(wěn)定，通常以每分鐘約812個(gè)氣泡為宜。記錄U型壓力計(jì)兩邊最高和最低讀數(shù)各3次，求出平均值。3、測(cè)定醇溶液的表面張力    以不同濃度的乙醇或正丁醇溶液進(jìn)行測(cè)量。從稀到濃依次進(jìn)行。每次測(cè)量前必須用少量被測(cè)液洗滌測(cè)定管，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。4、乙醇系列溶液的折光率測(cè)定乙醇水溶液的準(zhǔn)確濃度，用阿貝折射儀來(lái)確定。五、數(shù)據(jù)記錄與處理原乙醇溶液濃度C(V%)壓力差（Pa）折光率123平均0577570568571

9、.7 5470465467467.3 1.334210400399407402.0 1.336215363367360363.3 1.339720345356349350.0 1.340725306309301305.3 1.344930285289279284.3 1.347235269275268270.7 1.349740261264260261.7 1.35121、以純水測(cè)量結(jié)果計(jì)算K1值。查表得 = K PK= 71.97*10-3/572 =1.26*10-4M2、根據(jù)所測(cè)折光率，由實(shí)驗(yàn)室提供的濃度折射率工作曲線查出各溶液的濃度。圖1-折光率和乙醇濃度百分含量關(guān)系圖3、計(jì)算各溶液的

10、值。原乙醇溶液濃度C(V%)實(shí)際乙醇溶液濃度C(V%)實(shí)際乙醇溶液濃度C壓力差（Pa）/10(-3)N/m123平均值52.2 0.38 470465467467.3 58.83 104.9 0.83 400399407402.0 50.61 159.7 1.66 363367360363.3 45.74 2011.1 1.91 345356349350.0 44.06 2517.5 3.01 306309301305.3 38.44 3021.3 3.66 285289279284.3 35.79 3525.8 4.42 269275268270.7 34.07 4028.6 4.91 26

11、1264260261.7 32.94 4、作-c圖，并在曲線上讀出10個(gè)點(diǎn)的表面張力，分別作出切線，并求得對(duì)應(yīng)的斜率。 項(xiàng)目 CK /10(-3)/10(-3) C/(mol/L)/10(-3)mol·m-2/10(3) ( m2/L)N/m10.456.93 -10.1650.0016402243.87 20.952.12 -9.07260.0032938273.24 31.447.86 -7.96970.0045009311.05 41.944.15 -6.86670.005263361.01 52.440.99 -5.75850.0055751430.49 62.938.38

12、-4.66080.0054524531.88 73.436.32 -3.55790.0048798696.75 83.934.82 -2.45270.00385871010.71 94.433.86 -1.35080.00239761835.19 104.933.45 -0.26190.00051779465.32 5.根據(jù)Gibbs方程求算各濃度的吸附量T，并作出圖，由直線斜率求其，并計(jì)算值。圖2-乙醇濃度與表面張力圖圖3-C與 C/關(guān)系圖=1/k=1/1194.35= 8.373*10-7MOL·M-2=1.984*10-18 M-2文獻(xiàn)值表-1.濃度折射率關(guān)系圖 濃度折光率05

13、10152025303540251.33261.33621.33981.34321.34651.34941.35201.35421.3564表-2.純水溫度與表面張力關(guān)系圖t/10(-3)N/m2571.973570.184568.74 表-3.乙醇溶液濃度與表面張力關(guān)系W/10(-3)N/mW/10(-3)N/m0.0072.200.00071.232.7260.790.79266.085.2154.972.14361.5611.1046.034.99454.1520.5037.5310.3945.8830.4732.2517.2838.5440.0029.6325.0034.08六、思考題

14、1、在測(cè)量中，如果抽氣速度過(guò)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(guò)快，氣泡形成過(guò)快，使測(cè)量讀數(shù)偏高，影響測(cè)量結(jié)果。2、如果毛細(xì)管末端插入到溶液內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量行嗎?為什么?答：不行。毛細(xì)管末端應(yīng)與液體液面相切，而此時(shí)的壓力才是大氣壓力。若插入液面內(nèi)部，壓力將發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。七 注意事項(xiàng)1.儀器系統(tǒng)不能漏氣。 2.所用毛細(xì)管必須干凈、干燥，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切。 3.打開(kāi)滴液漏斗的活塞時(shí)要求使氣泡盡可能慢的鼓出。4.毛細(xì)管要求出泡均勻，內(nèi)徑不可太粗，否則誤差太大。毛細(xì)管頭部必須平整光滑，不沾油污，以免出泡不均勻。5.

15、測(cè)定表面活性劑溶液時(shí)，溶液要沿管壁慢慢加入，防止大量氣泡。測(cè)定時(shí)也應(yīng)放掉一些氣泡后，才讀出最大壓力差，不能讓泡沫在液面上過(guò)多堆積影響溶液和形成的壓力差。6.毛細(xì)管必須干凈，保持垂直，其管口剛好與液面相切每次測(cè)量前用待測(cè)液洗滌毛細(xì)管，保持毛細(xì)管與樣品管所測(cè)液濃度一致。7.讀取壓力計(jì)的壓差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。用吸耳球洗毛細(xì)管時(shí)，要打開(kāi)活塞八 討論1誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用單一毛細(xì)管插入液面以下一定深度進(jìn)行溶液表面張力測(cè)定，它既能夠克服氣泡逸出不穩(wěn)定，難以調(diào)節(jié)毛細(xì)管端面正好與液面相切的缺點(diǎn)，又能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有操作簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)對(duì)于物質(zhì)不同溫度下的表面張力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確

16、獲得，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值此外，還可通過(guò)某溶液兩溫度時(shí)的表面張力，測(cè)定另一溫度時(shí)溶液的密度本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾個(gè)方面（1） 垂直相切沒(méi)調(diào)好（2） 讀高度差時(shí)誤差較大2.討論由溶液的單位表面吸附量可求得每一個(gè)溶質(zhì)分子在溶液表面占據(jù)的面積S。方法如下：若溶質(zhì)在溶液表面是單分子層吸附，按蘭繆爾（Laugmuir）吸附等溫式（5-17）式中，為單位溶液表面被溶質(zhì)單分子層吸附的飽和吸附量，b為常數(shù)。以對(duì)作圖，其直線斜率為。設(shè)為阿拂伽德羅常數(shù)，則每個(gè)溶質(zhì)分子在溶液表面占據(jù)的面積為：（5-18）測(cè)定液體表面張力除氣泡的最大壓力法外，常用的還有毛細(xì)管上升法、滴重法等。毛細(xì)管上升法如圖5-10所示

17、。將半徑為R的毛細(xì)管垂直插入可潤(rùn)滑的液體中，由于表面張力的作用，使毛細(xì)管內(nèi)液面上升。平衡時(shí)，上升液柱的重力與液體由于表面張力的作用所受到向上的拉力相等，即：（5-19）滴重法使液體受重力作用從垂直安放的毛細(xì)管向下滴落，當(dāng)液滴最大時(shí)，其半徑即為毛細(xì)管半徑R。此時(shí)，重力與表面張力相平衡，即由于液滴形狀的變化及不完全滴落，故重力項(xiàng)還需乘以校正系數(shù)F。F是毛細(xì)管半徑R與液滴體積的函數(shù)，可在有關(guān)手冊(cè)中查得。整理上式則得（5-20）式中每滴液體的質(zhì)量m可由稱(chēng)量而得。若將液滴下落于另一液體之中，滴重法測(cè)得的即為液體之間的界面張力。3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)（1）壓力的測(cè)定：全智能微差壓變送器通過(guò) 數(shù)模轉(zhuǎn)換卡同計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)自編程序，不 僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的保存，還可以在在線顯示壓力值 的同時(shí)顯示壓力的變化曲線，方便確定停止數(shù)據(jù)采 集的時(shí)間和數(shù)據(jù)點(diǎn)的好壞。 （2）深度的測(cè)量：毛細(xì)管插入液面的深度對(duì)液體表面張力的測(cè)定是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。為此本文通過(guò)兩個(gè)試管測(cè)定，一個(gè)作為測(cè)量管，另一個(gè)作為液面調(diào)節(jié)管，從而使式（）中第二項(xiàng)可以準(zhǔn)確地消除。（3）流速的調(diào)節(jié)：對(duì)于靜態(tài)表面張力的測(cè)定， 要在恒定的流速下進(jìn)行，而且兩管的出泡速度應(yīng)保 持一致，為此本文在原有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上加了