溶液表面張力的測定-最大氣泡法備考復(fù)習(xí)

1、溶液表面張力的測定一一最大氣泡法1引言11實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）測定不同濃度正丁醇溶液的表而張力。（2）根據(jù)吉布斯公式計(jì)算正丁醇溶液的表面吸附量。（3）掌握用最大氣泡法測左表而張力的原理和技術(shù)。2實(shí)驗(yàn)原理在液體內(nèi)部，任何分子受周羽分子的吸引力是平衡的。可是表面層的分子受內(nèi)層分子的 吸引與受表面層外介質(zhì)的吸引并不相同，所以，表而層的分子處于力不平衡狀態(tài)，表而層的 分子比液體內(nèi)部分子具有較大勢能，如欲使液體產(chǎn)生新的表而，就需要對其做功。在溫度、 壓力和組成恒定時(shí)，可逆地使表面積增加dA所需做的功為- 6W=ydA（1）比例系數(shù)Y表示在等溫等壓下形成單位表而所需的可逆功，其數(shù)值等于作用在界而上每 單位長度邊

2、緣的力，稱為表而張力。純物質(zhì)表而層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此純液體降低表而自由能的唯一途徑是盡可 能縮小英表面積。對于溶液，由于溶質(zhì)使溶劑表而張力發(fā)生變化，因此可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面 層的濃度來降低表而自由能。根據(jù)能量最低原則，溶質(zhì)能降低溶劑的表而張力時(shí)，表而層溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大: 反之，溶質(zhì)使溶劑的表而張力升高時(shí)，表而層溶質(zhì)的濃度比內(nèi)部的濃度低。這種表而濃度與 溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表而吸附。顯然，在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附 量與溶液的濃度及溶液的表而張力隨濃度的變化率有關(guān)，從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系(2)式中：I為表而吸附量（molnf=）； Y為表而張力（NnT）：

3、 c為溶質(zhì)的濃度（mol-m3）； T為熱力學(xué)溫度（K）： R為摩爾氣體常數(shù)（8.314 JmolQ）。I、值可正可負(fù)，正值為正吸附，負(fù)值為負(fù)吸附。顯然，I不僅能表明吸附的性質(zhì)，而且 其值還能說明表而吸附的程度：二0表明無吸附現(xiàn)象；其值越遠(yuǎn)離0：表明吸附程度越大。溶于液體中使表而張力降低的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)，反之，稱為非表面活性物質(zhì)。在水溶液中，表而活性物質(zhì)有顯著的不對稱結(jié)構(gòu)，它是由極性（親水）部分和非極性（憎水） 部分構(gòu)成的。在水溶液表而，一般極性部分取向溶液內(nèi)部，而非極性部分則取向空氣部分。對于有機(jī)化合物來說，表而活性物質(zhì)的非極性部分為碳?xì)浠?而極性部分一般為：一 -OH, SH, -C

4、OOH, 一SOs等。表面活性物質(zhì)分子在溶液表而的排列情況，隨其在溶液中的濃度不同而異。圖1表示分 子在界而上的排列，在濃度極小的情況下，物質(zhì)分子平躺在溶液表而上如圖1 - （1）所示， 濃度逐漸增加時(shí)，分子的排列如圖1 -（2）所示。最后當(dāng)濃度增加至一立程度時(shí)，被吸附 的分子占據(jù)了所有表面，形成飽和的吸附層，如圖1 -（3）所示。如果作出Y-c的等溫曲線來，可以看出，在開始時(shí)丫隨c之增加而下降很快，而以后的 變化比較緩慢。根拯Y-c等溫曲線.可以用作圖法求出不同濃度的值（見圖2）。圖1被吸附的分子在界面上的排列圖2表面張力與濃度的關(guān)系在Y -c等溫曲線上取一點(diǎn)a,過&點(diǎn)做曲線的切線以及平行于

5、橫坐標(biāo)的直線分別交于 縱坐標(biāo)軸于b、b，令bb =Z,貝吃=q字）T,p,帶入（2）式，I二Z/RT。從Y-c等溫曲 線上取不同的點(diǎn)，就可以得出不同的Z值，從而可以求岀不同濃度的吸附量。吸附量與濃度之間的關(guān)系可以用朗格繆爾等溫吸附方程表示。在一定溫度下，吸附量與(3)溶液濃度之間有如下關(guān)系：r = r式中G為飽和吸附崑k為常數(shù)。上式可以改寫為如下的形式:若以c/r對c作圖，應(yīng)為一直線，其斜率的倒數(shù)即為本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡法測左表而張力，裝置如圖3所示。圖3測立表而張力裝宜圖4管口氣泡形成示意圖1 毛細(xì)管2壓力計(jì)3抽氣瓶4大試管將待測液體裝入大試管4,將端口據(jù)平的毛細(xì)管1垂直安裝，使其端口恰好觸及

6、液而， 若液體能潤濕毛細(xì)管壁，液面沿毛細(xì)管上升。打開抽氣瓶3的活塞抽氣，則毛細(xì)管內(nèi)液而上 受到一個(gè)比外邊液而較大的壓力，氣泡將自管口內(nèi)壁逐漸形成，見圖4。開始時(shí)形成的氣泡 曲率半徑很大，隨后半徑逐漸變小，泡內(nèi)外的壓力差逐漸增加。當(dāng)形成的氣泡剛好是半球形 時(shí)半徑最小，泡內(nèi)外壓力差達(dá)到最大值。此后半徑又逐漸變大，壓力差逐漸下降，從而使氣 流沖入氣泡內(nèi)，最終將其吹離管口。在此過程中，最大壓力差A(yù)p可由I；形壓力訃2上讀岀。 根據(jù) Yonug Laplace 方程Ap =半(5),即得丫 =學(xué)(6)其中r是氣泡恰呈半球形時(shí)的半徑，因此是毛細(xì)管的內(nèi)半徑。若用同一支毛細(xì)管和壓力計(jì)，對兩種具有不同表而張力Y

7、i和Y2的液體進(jìn)行測量，下列關(guān)系式成立：-= = Y 2 P 33式中的AhxAh2為兩次測量時(shí)U形壓力汁兩邊讀數(shù)之差。(7)故有X = 丫2獸=KAhiK值對同一支毛細(xì)管及同一種壓力計(jì)介質(zhì)是常數(shù)，稱作儀器常數(shù)。由已知表而張力的液 體作標(biāo)準(zhǔn)求出常數(shù)K,便可用上式求其它液體的表面張力。2實(shí)驗(yàn)操作2.1實(shí)驗(yàn)用品實(shí)驗(yàn)用品：微機(jī)，數(shù)據(jù)采集接口，數(shù)字式壓力計(jì)，表而張力測上裝置，lOOOmL, 500mL 燒杯各一個(gè)，100 mL容疑瓶7個(gè)，50mL、25 mL移液管各1支，滴管1支，洗耳球1個(gè)。0. 4000 0. 5000 mol-L1 正丁醇水溶液。2實(shí)驗(yàn)條件溫度25Co3實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)需要測量氣泡

8、脫離毛細(xì)管端口瞬間的壓力，這是一個(gè)動態(tài)過程，目視讀數(shù)比較困 難。采用汁算機(jī)聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，能夠快速記錄壓力變化數(shù)據(jù)，通過壓力變化曲線觀察氣 泡形成過程。相比目視讀數(shù)，準(zhǔn)確性和可操作性大大提高。（1）溶液配制用容量瓶及所給正丁醇水溶液配制濃度分別為0. 5、0.4、0.3、0.25、0.2、0. 15、0.1、 0.05、0. 025以及0 moPL1的正丁醇水溶液。（2）測立儀器常數(shù)充分洗凈大試管4及毛細(xì)管1,在大試管中注入適量的去離子水，使毛細(xì)管端口剛好和 液面垂直相切，將大試管安裝在恒溫水浴內(nèi)，給抽氣瓶3注滿水。連接裝垃，調(diào)卩三通閥使 連接抽氣瓶a 口與連接數(shù)字式壓力計(jì)b 口導(dǎo)通。當(dāng)溫度

9、恒左后打開抽氣瓶的旋塞，使瓶內(nèi)的 水緩慢滴出，使大試管逐步減壓，在毛細(xì)管1的端口形成氣泡。調(diào)肖抽氣瓶水流速，使氣泡 均勻產(chǎn)生，形成速度控制在1020 s個(gè)。打開計(jì)算機(jī)，運(yùn)行“數(shù)據(jù)采集程序”。調(diào)節(jié)三通閥使a、b、c 口都導(dǎo)通，點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)宜， 選擇“15 s”，確泄后點(diǎn)擊“開始”按鈕，記錄基線2030秒。調(diào)節(jié)三通閥，使a、b導(dǎo)通， 隨著壓力變化曲線逐漸升高，當(dāng)氣泡吹岀，壓力曲線迅速降低，之后又逐漸升髙，隨著下一 氣泡吹岀，壓力曲線又迅速降低。記錄67個(gè)II矗，點(diǎn)擊“完成”、“存盤”保存數(shù)據(jù)。（3）測左正丁醇溶液的表而張力同樣方法，分別測泄不同濃度（0.0250.5 mol-L1）正丁醇溶液。每次測

10、量前，先將 大試管和毛細(xì)管用去離子水洗凈，再用被測液潤洗23此，注意毛細(xì)管端口勿使苴碰損。4.數(shù)據(jù)處理打開數(shù)據(jù)處理程序，點(diǎn)擊“表而張力”。按“打開”按鈕，調(diào)岀“壓力變化曲線”，移 動光標(biāo)至“基線”點(diǎn)擊“壓力端點(diǎn)1”，移動光標(biāo)至唸頂，點(diǎn)擊：“壓力端點(diǎn)2” o再移動 光標(biāo)至基線，點(diǎn)擊“壓力端點(diǎn)1”，移動光標(biāo)選擇另外一個(gè)峰的峰頂，點(diǎn)擊“壓力端點(diǎn)2”，重復(fù)三次。點(diǎn)擊“提交”，峰髙數(shù)值即顯示在下而的數(shù)據(jù)欄內(nèi)。將所有曲線處理完成，填上 相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“數(shù)搖處理”，處理結(jié)果即可顯示在相關(guān)的數(shù)據(jù)欄內(nèi)。3結(jié)果與討論1原始數(shù)據(jù)表1原始數(shù)據(jù)記錄c(mol/L)-AE(mV)Y (N/m)00. 32180. 071970. 0250. 29880. 066830. 050. 26860. 060070. 10. 2510. 056140. 150. 22250. 049760.20. 21920. 049020. 250. 20140. 045040.30. 2010. 044950.40. 18170. 040640.50. 15510. 034693. 2計(jì)算結(jié)果利用表1數(shù)據(jù)可以作出圖5。0.08E、N)A-R黑