最大氣泡法測定溶液的表面張力

1、最大氣泡法測定溶液的表面張力最大氣泡法測定溶液的表面張力新鄉(xiāng)學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院物理化學(xué)教研室目的要求目的要求 1. 測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力,計算表面吸計算表面吸附量和乙醇分子的橫截面積。附量和乙醇分子的橫截面積。 2. 了解表面張力的性質(zhì)了解表面張力的性質(zhì),表面自由能的意義以及表表面自由能的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系。面張力和吸附的關(guān)系。 3. 掌握用最大氣泡法測定表面張力的原理和技術(shù)。掌握用最大氣泡法測定表面張力的原理和技術(shù)?；驹砘驹?1. 表面自由能表面自由能 物體表面分子和內(nèi)部分子所處的境遇不同，表面層分子受到向內(nèi)物體表面分子和內(nèi)部分子

2、所處的境遇不同，表面層分子受到向內(nèi)的拉力，所以液體表面都有自動縮小的趨勢。如果把一個分子由的拉力，所以液體表面都有自動縮小的趨勢。如果把一個分子由內(nèi)部遷移到表面，就需要對抗拉力而做功。在溫度、壓力和組成內(nèi)部遷移到表面，就需要對抗拉力而做功。在溫度、壓力和組成都恒定時，可逆地使表面增加都恒定時，可逆地使表面增加S所需對體系做的功，叫表面功，所需對體系做的功，叫表面功，可表示為：可表示為： -A=G=S稱為表面自由能，單位為稱為表面自由能，單位為J/m2。若把。若把看作為作用在界面上每看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，通常稱為表面張力。單位長度邊緣上的力，通常稱為表面張力。 2. 溶液的表面

3、吸附溶液的表面吸附 在指定的溫度和壓力下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溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度有關(guān)的濃度有關(guān),從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系遵守吉布斯吸附從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系遵守吉布斯吸附方程方程: 根據(jù)能量最低原則根據(jù)能量最低原則,溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時,表面層溶質(zhì)的表面層溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大濃度比溶液內(nèi)部大;反之反之,溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時,表面層中表面層中的濃度比內(nèi)部的低。這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象的濃度比內(nèi)部的低。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

4、吸附。叫做溶液的表面吸附。 為表面吸附量為表面吸附量(單位單位:molm-2 );T為熱力學(xué)溫度為熱力學(xué)溫度(單位單位:K);C為稀為稀溶液濃度溶液濃度(單位單位:moldm-3 );R為氣體常數(shù)。為氣體常數(shù)。 TdCdRTC)( 0, 0 則則dCd 稱為負(fù)吸附稱為負(fù)吸附; 0, 0 則則dCd 稱為正吸附稱為正吸附; 在在-C曲線上任選一點(diǎn)曲線上任選一點(diǎn)i作切線作切線,即可得該點(diǎn)所對應(yīng)濃度即可得該點(diǎn)所對應(yīng)濃度Ci 的斜率，的斜率， 再由上式可求得不同濃度下的再由上式可求得不同濃度下的值。值。 乙醇是表面活性物質(zhì)乙醇是表面活性物質(zhì),能降低溶劑的表面張力能降低溶劑的表面張力,它們在水溶液表面它

5、們在水溶液表面的排列情況隨濃度不同而異的排列情況隨濃度不同而異:當(dāng)濃度小時當(dāng)濃度小時,分子可以平躺在表面上分子可以平躺在表面上;濃度增大時濃度增大時,分子的極性基團(tuán)取向溶劑內(nèi)部分子的極性基團(tuán)取向溶劑內(nèi)部,而非極性基團(tuán)基本上而非極性基團(tuán)基本上取向空間取向空間;當(dāng)濃度增大到一定程度時當(dāng)濃度增大到一定程度時,溶質(zhì)分子占據(jù)了所有表面溶質(zhì)分子占據(jù)了所有表面,就就形成飽和吸附層。形成飽和吸附層。 以表面張力對濃度作圖以表面張力對濃度作圖,可得到可得到-C曲線曲線,從圖中可以看出從圖中可以看出,在開始在開始時時隨濃度的增加而迅速下降隨濃度的增加而迅速下降,以后的變化比較緩慢。以后的變化比較緩慢。TdCd)(

6、 式中式中: 是飽和吸附量，是飽和吸附量，K是常數(shù)，將上式取倒數(shù)可得是常數(shù)，將上式取倒數(shù)可得:3. 飽和吸附與溶質(zhì)分子的橫截面積飽和吸附與溶質(zhì)分子的橫截面積在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir等溫等溫式表示：式表示：KCKC 1KCCC 1 作作(C/)-C圖圖,直線斜率的倒數(shù)即為直線斜率的倒數(shù)即為 。 如果以如果以N代表代表1m2 表面上溶質(zhì)的分子數(shù)表面上溶質(zhì)的分子數(shù),則有則有:N= L 因此因此,若若 測得不同濃度下溶液的表面張力測得不同濃度下溶液的表面張力,從從-C曲線上求出不同曲線上求出不同濃度的吸附量濃度的吸附量,再

7、從再從(C/)-C直線上求出直線上求出 ,便可以計算出溶質(zhì)便可以計算出溶質(zhì)分子的橫截面積分子的橫截面積B 。 可得每個溶質(zhì)分子在表面上所占據(jù)的橫截面積可得每個溶質(zhì)分子在表面上所占據(jù)的橫截面積: = 1/( ) 4. 最大氣泡法最大氣泡法Pmax =Pr =P0 -Pr =2/r 將被測液體裝于測定管中將被測液體裝于測定管中,使玻璃管下端毛細(xì)管面與液面相切使玻璃管下端毛細(xì)管面與液面相切,液面液面沿毛細(xì)管上升沿毛細(xì)管上升,打開抽氣瓶的活塞緩緩放水抽氣打開抽氣瓶的活塞緩緩放水抽氣,測定管中的壓力測定管中的壓力P逐漸減小逐漸減小,毛細(xì)管壓力毛細(xì)管壓力P0 就會將管中液面壓至管口就會將管中液面壓至管口,

8、形成氣泡形成氣泡,其曲其曲率半徑由大而小率半徑由大而小,直至恰好等于毛細(xì)管半徑時直至恰好等于毛細(xì)管半徑時,根據(jù)拉普拉斯公式根據(jù)拉普拉斯公式,這時能承受的壓力差也最大這時能承受的壓力差也最大: 則則=(r/2)gh=Kh 最大壓力差可用最大壓力差可用U型壓力計中最大液柱差型壓力計中最大液柱差h來表示來表示:Pmax =g K為儀器常數(shù)為儀器常數(shù),可以用已知表面張力的物質(zhì)測定?？梢杂靡阎砻鎻埩Φ奈镔|(zhì)測定。 儀器與試劑儀器與試劑 恒溫裝置恒溫裝置 一套一套燒杯（燒杯（25 ml） 一個一個帶有支管的試管（附木塞）帶有支管的試管（附木塞） 1支支毛細(xì)管（半徑為毛細(xì)管（半徑為0.15mm0.20mm)

9、1根根容量瓶（容量瓶（50ml)8支支數(shù)字式微壓差測量儀數(shù)字式微壓差測量儀 1臺臺低真空測壓低真空測壓儀儀滴液漏斗滴液漏斗支管試管支管試管毛細(xì)管毛細(xì)管實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟 1.安裝儀器：洗凈儀器并按圖裝置。對需干燥的儀器作干安裝儀器：洗凈儀器并按圖裝置。對需干燥的儀器作干燥處理。燥處理。 2.配置乙醇溶液：配置乙醇溶液：分別配制分別配制002mol/L，0.05molL，010molL，015molL，0.20molL，025molL，030mol/L，035mol/L乙醇溶液各乙醇溶液各50mL。 3. 調(diào)節(jié)恒溫為調(diào)節(jié)恒溫為25。 4.儀器常數(shù)測定儀器常數(shù)測定 先以蒸餾水作為待測液測定其儀器常數(shù)

10、。方法是將干燥的先以蒸餾水作為待測液測定其儀器常數(shù)。方法是將干燥的毛細(xì)管垂直地插到使毛細(xì)管的端點(diǎn)剛好與水面相切，打開毛細(xì)管垂直地插到使毛細(xì)管的端點(diǎn)剛好與水面相切，打開滴液漏斗，控制滴液速度，使毛細(xì)管逸出的氣泡，速度約滴液漏斗，控制滴液速度，使毛細(xì)管逸出的氣泡，速度約為為5s10s1個。在毛細(xì)管口氣泡讀出個。在毛細(xì)管口氣泡讀出U型管兩邊液面最大型管兩邊液面最大高度差高度差 可讀三次，取其平均值。通過手冊可讀三次，取其平均值。通過手冊 查出實(shí)查出實(shí)驗(yàn)溫度時水的表面張力，利用公式驗(yàn)溫度時水的表面張力，利用公式 求出儀器常數(shù)求出儀器常數(shù)K。 maxh max/hK 5.待測樣品表面張力的測定：用待測溶

11、液洗凈試管和毛待測樣品表面張力的測定：用待測溶液洗凈試管和毛細(xì)管，加入適量樣品于試管中，按照儀器常數(shù)測定的方法，細(xì)管，加入適量樣品于試管中，按照儀器常數(shù)測定的方法，測定不同待測樣品的測定不同待測樣品的 計算其表面張力計算其表面張力 。 maxh 6.乙醇溶液的折光率測定：用每個樣品測出乙醇溶液的折光率測定：用每個樣品測出 后，隨后，隨即用滴管吸取該溶液滴，置于棱鏡上，用阿貝折光儀測其即用滴管吸取該溶液滴，置于棱鏡上，用阿貝折光儀測其折光率折光率nD查工作曲線得各樣品的準(zhǔn)確濃度。查工作曲線得各樣品的準(zhǔn)確濃度。maxh 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 1.由附錄表中查出實(shí)驗(yàn)溫度時水的表面張力，算出毛細(xì)管常數(shù)由附

12、錄表中查出實(shí)驗(yàn)溫度時水的表面張力，算出毛細(xì)管常數(shù)K。 2.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計算各份溶液的表面張力由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計算各份溶液的表面張力 ,并作并作 c曲線。曲線。3.在在 c曲線上分別在曲線上分別在0050mol/L，0100molL，0150molL，0200molL，0250molL和和0300molL處作切線，分別求出各濃度的處作切線，分別求出各濃度的 值，并計算在各相值，并計算在各相應(yīng)濃度下的應(yīng)濃度下的。 4. 用用c/ 對對c作圖，應(yīng)得一條直線，由直線斜率求出作圖，應(yīng)得一條直線，由直線斜率求出 。Tdcd 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1.測定用的毛細(xì)管一定要洗干凈，否則氣泡可能不能連測定用的毛細(xì)管

13、一定要洗干凈，否則氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定地流過，而使壓差計讀數(shù)續(xù)穩(wěn)定地流過，而使壓差計讀數(shù)I不穩(wěn)定，如發(fā)生此種現(xiàn)不穩(wěn)定，如發(fā)生此種現(xiàn)象，毛細(xì)管應(yīng)重洗。象，毛細(xì)管應(yīng)重洗。 2.毛細(xì)管一定要保持垂直，管口剛好插到與液面接觸。毛細(xì)管一定要保持垂直，管口剛好插到與液面接觸。 3.雜質(zhì)對的影響很大，配制溶液應(yīng)使蒸餾水。雜質(zhì)對的影響很大，配制溶液應(yīng)使蒸餾水。4.應(yīng)讀出氣泡單個逸出時的最大壓力差。應(yīng)讀出氣泡單個逸出時的最大壓力差。5.與溫度密切相關(guān)，應(yīng)使表面張力儀浸入恒溫槽的水中。與溫度密切相關(guān)，應(yīng)使表面張力儀浸入恒溫槽的水中。討論討論 1.若毛細(xì)管深入液面下若毛細(xì)管深入液面下Hcm，則生成的氣泡受到大氣壓和的靜，則生成的氣泡受到大氣壓和的靜液壓。如能準(zhǔn)確測知液壓。如能準(zhǔn)確測知H值，則根據(jù)值，則根據(jù)來測定值。但若使毛細(xì)管口與液面相切，則來測定值。但若使毛細(xì)管口與液面相切，則H0，消除了項(xiàng)，消除了項(xiàng)，但每次測定時總不可能都使但每次測定時總不可能都使H0，故單管式表面張力儀總會引，故單管式表面張力儀總會引入一定的誤差。入一定的誤差。2.測