最大氣泡法測(cè)定溶液表面張力-王強(qiáng)課件

氣泡最大壓力法測(cè)定溶液表面張力

王強(qiáng)qiangwang@蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)研究所氣泡最大壓力法測(cè)定溶液表面張力

王強(qiáng)1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．掌握氣泡最大壓力法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)2.學(xué)習(xí)利用吉布斯吸附公式計(jì)算不同濃度下正丁醇溶液的表面吸附量3.求正丁醇分子截面積一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握氣泡最大壓力法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)2

表面張力（surfacetension）的形成

液體內(nèi)部分子所受的力可以彼此抵銷，但表面分子受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的拉力?。ㄒ?yàn)闅庀嗝芏鹊停员砻娣肿邮艿奖焕塍w相的作用力。這種作用力使表面有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)，并使表面層顯示出一些獨(dú)特性質(zhì)，如表面張力、表面吸附、毛細(xì)現(xiàn)象、過(guò)飽和狀態(tài)等。二、實(shí)驗(yàn)原理I表面張力（surfacetension）的形成二、實(shí)驗(yàn)原3處于溶液表面的分子,受到不平衡的分子間力的作用而具有表面張力σ.(定義是在表面上垂直作用于單位長(zhǎng)度上使表面積收縮的，單位是N·m-1).從另一角度，σ也可看做使體系增加單位表面積，外界必須對(duì)體系做的功。σ這時(shí)看做表面自由能，單位J/m2表面張力和表面自由能處于溶液表面的分子,受到不平衡的分子間力的作用而具有表面張力4通過(guò)滴水瓶滴水抽氣使得體系壓力下降，大氣壓與體系壓力差△p逐漸把毛細(xì)管中的液面壓至管口，形成氣泡氣泡最大壓力法測(cè)定表面張力裝置說(shuō)明通過(guò)滴水瓶滴水抽氣使得體系壓力下降，大氣壓與體系壓力差△p逐5半徑為r的球形液珠，表面自由能為4πr2σ設(shè)半徑減小dr,表面自由能減小8πrσdr。液珠收縮的趨勢(shì)必為表面兩邊的壓力差△

P所平衡，對(duì)抗此壓力差做的功為△

P

4πr2dr。平衡時(shí)△

P

4πr2dr=8πrσdr，得△

P=2σ/r。對(duì)于曲面可推廣為△

P=σ（1/r1+1/r2),稱為Young-Laplace公式。Young-Laplace公式半徑為r的球形液珠，表面自由能為4πr2σYoung-La6繼續(xù)長(zhǎng)大時(shí)，泡的半徑又變大，泡內(nèi)外壓差下降，氣流沖入泡內(nèi)將其吹離管口。氣泡最大壓力法設(shè)毛細(xì)管半徑r,知?dú)馀輭毫ψ畲髸r(shí)，P泡內(nèi)-P泡外=△

Pmax=2σ/r式中k為儀器常數(shù)，通常用已知表面張力的物質(zhì)確定。本實(shí)驗(yàn)用電導(dǎo)水確定k。開(kāi)始形成的氣泡逐漸長(zhǎng)大，泡的曲率半徑由大變小，泡內(nèi)外壓力差逐漸增加。當(dāng)形成的氣泡剛好是半球形時(shí)，曲率半徑最小，泡內(nèi)外壓力差達(dá)到最大值。繼續(xù)長(zhǎng)大時(shí)，泡的半徑又變大，泡內(nèi)外壓差下降，氣流沖入泡內(nèi)將其7

加入表面活性物質(zhì)時(shí)溶液的表面張力會(huì)下降,溶質(zhì)在表面的濃度大于其在本體的濃度,此現(xiàn)象稱為表面吸附現(xiàn)象;單位溶液表面積上溶質(zhì)的過(guò)剩量稱為表面吸附量Γ.二、實(shí)驗(yàn)原理II*

加入表面活性物質(zhì)時(shí)溶液的表面張力會(huì)下降,溶質(zhì)在表面的濃度8對(duì)可形成單分子層吸附的表面活性物質(zhì)，溶液的表面吸附量Γ與溶液本體濃度c之間的關(guān)系符合朗格謬爾吸附等溫式:

?！逓閱挝蝗芤罕砻娣e上飽和吸附時(shí)溶質(zhì)的物質(zhì)的量其線性形式為*對(duì)可形成單分子層吸附的表面活性物質(zhì)，溶液的9正丁醇分子截面積的求算方法?！蓿╩ol/cm2)為飽和吸附時(shí),單位溶液表面積上吸附的溶質(zhì)的物質(zhì)的量，則每個(gè)溶質(zhì)分子在溶液表面上的吸附截面積為：式中L為阿伏加德羅常數(shù)。正丁醇分子截面積的求算方法?！蓿╩ol/cm2)為飽和吸附時(shí)10由實(shí)驗(yàn)測(cè)出不同濃度c對(duì)應(yīng)的表面張力s,利用計(jì)算機(jī)作s～c圖，擬合曲線方程s=f（c）；求導(dǎo)得到ds/dc代入吉布斯方程可計(jì)算溶液表面吸附量Γ；再利用計(jì)算機(jī)作～ｃ圖，擬合直線方程，由直線斜率可得飽和吸附量Γ∞=1/A.計(jì)算出橫截面積A；由實(shí)驗(yàn)測(cè)出不同濃度c對(duì)應(yīng)的表面張力s,11

恒溫槽裝置；數(shù)字式微壓差計(jì)；下口瓶l個(gè)；表面張力測(cè)定儀燒杯（1000mL）；T形管1個(gè)；電導(dǎo)水；正丁醇（A.R.）及其不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液；三、儀器與試劑

恒溫槽裝置；數(shù)字式微壓差計(jì)；三、儀器與試劑121．儀器常數(shù)的測(cè)定

將表面張力測(cè)定儀清洗干凈。在干凈的表面張力測(cè)定儀中裝入電導(dǎo)水，使毛細(xì)管上端塞子塞緊時(shí)，毛細(xì)管剛好與液面垂直相切。抽氣瓶裝滿水，連接好后旋開(kāi)下端活塞使水緩慢滴出?？刂屏魉偈箽馀輳拿?xì)管平穩(wěn)脫出（每個(gè)氣泡4-6秒），記錄氣泡脫出瞬間數(shù)字微壓差計(jì)的最大數(shù)值，取三次并求平均值。四、實(shí)驗(yàn)步驟1．儀器常數(shù)的測(cè)定四、實(shí)驗(yàn)步驟132.測(cè)定正丁醇溶液的表面張力用同樣的方法測(cè)定不同濃度的正丁醇溶液的最大壓差，由稀到濃依次測(cè)定。每個(gè)濃度的溶液測(cè)量前，表面張力測(cè)定儀和毛細(xì)管一起用該溶液蕩洗二至三次。每份溶液恒溫至少3－5min之后，開(kāi)始讀數(shù)；3.重復(fù)測(cè)定電導(dǎo)水的數(shù)據(jù)。2.測(cè)定正丁醇溶液的表面張力14儀器系統(tǒng)不能漏氣，檢查。測(cè)定用的毛細(xì)管一定要洗干凈，否則氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定的流過(guò)，而使壓差計(jì)讀數(shù)不穩(wěn)定，如發(fā)生此種現(xiàn)象，毛細(xì)管應(yīng)重洗。毛細(xì)管端口一定要?jiǎng)偤么怪鼻腥胍好?，不能離開(kāi)液面，但亦不可深插。在數(shù)字式微壓差測(cè)量?jī)x上，應(yīng)讀出氣泡單個(gè)逸出是的最大壓力差。正丁醇溶液要準(zhǔn)確配置，使用過(guò)程防止揮發(fā)損失。從毛細(xì)管口脫出氣泡每次應(yīng)為一個(gè)，即間斷脫出。表面張力和溫度有關(guān)，因此要等溶液恒溫后再測(cè)量。實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)儀器系統(tǒng)不能漏氣，檢查。實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)15樣品電導(dǎo)水0.01M0.025M0.05M0.1M0.15M0.2M0.25M最大壓力差１２３平均(Nm1)Г(molm2)

室溫

大氣壓

恒溫槽溫度

五、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理

樣品電導(dǎo)水0.01M0.025M0.05M0.1M0.15M161.查室溫下水的表面張力s(H2O)

(２５℃,σH2O＝７１.９７dyn/cm)計(jì)算儀器常數(shù)：2.計(jì)算同溫度下各溶液的表面張力:

3.作s-ｃ圖；利用計(jì)算機(jī)擬合s-c關(guān)系式；五、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理

Ory=a+b*ln(1+c*x)

1.查室溫下水的表面張力s(H2O)(２５℃,σ174由吉布斯等溫式計(jì)算各溶液的表面吸附量；式中:5作～ｃ圖；確定飽和吸附量?！?/p>

所以?！?1/(L·Am)

注意：數(shù)據(jù)處理單位前后一致，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)量級(jí)錯(cuò)誤！

***4由吉布斯等溫式計(jì)算各溶液的表面吸附量；所以181、本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確與否關(guān)鍵決定于哪些因素？2、毛細(xì)管內(nèi)徑均勻與否對(duì)結(jié)果有無(wú)影響？3、氣泡如出的很快或連續(xù)3－4個(gè)一齊出，對(duì)結(jié)果各有什么影響？毛細(xì)管尖端為何要?jiǎng)偤媒佑|液面？4、本實(shí)驗(yàn)s－c圖形應(yīng)該是一怎樣的圖形？將所得的結(jié)果與手冊(cè)上查到結(jié)果進(jìn)行比較試分析產(chǎn)生誤差的原因。六、思考（P.128，1-4）1、本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確與否關(guān)鍵決定于哪些因素？六、思考（P.191在Excel的工作表中輸入數(shù)據(jù)并作計(jì)算；2作s－c圖;(1)選取s－c數(shù)據(jù),點(diǎn)擊菜單,選擇(2)按圖表向?qū)нx擇圖表類型──不帶線的x,y散點(diǎn)圖(3)選取作圖數(shù)據(jù)源;(4)對(duì)圖表選項(xiàng)作相應(yīng)選擇;(5)選擇圖表位置──嵌入工作表.3添加趨勢(shì)線并顯示其公式;

(1)在圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)上點(diǎn)擊快捷菜單;

(2)選擇添加趨勢(shì)線;(3)由對(duì)話框上的標(biāo)簽,選擇相應(yīng)的趨勢(shì)線類型:

*

對(duì)s～c數(shù)據(jù),可選擇“指數(shù)”型或“乘冪”型趨勢(shì)線；

*

對(duì)～c數(shù)據(jù),選擇“線性”趨勢(shì)線。(4)由對(duì)話框上的標(biāo)簽,選擇顯示公式及顯示R(2)值.

附：EXCEL作圖法1在Excel的工作表中輸入數(shù)據(jù)并作計(jì)算；附：EXCEL20origin作圖法運(yùn)用origin擬合曲線方便、客觀，避免了手工作圖的人為誤差origin繪圖程序?qū)υ搶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行2階多項(xiàng)式擬合效果。擬合結(jié)果如下相應(yīng)的擬合方程為：σ=A+B1*Ｃ+B2*Ｃ2；求該擬合方程的微分多項(xiàng)式得：＝B1+２B2*Ｃ將不同c值代入即可計(jì)算該濃度時(shí)的origin作圖法運(yùn)用origin擬合曲線方便、客觀，避免了21例：origin作圖法例：origin作圖法22氣泡最大壓力法測(cè)定溶液表面張力

王強(qiáng)qiangwang@蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)研究所氣泡最大壓力法測(cè)定溶液表面張力

王強(qiáng)23一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．掌握氣泡最大壓力法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)2.學(xué)習(xí)利用吉布斯吸附公式計(jì)算不同濃度下正丁醇溶液的表面吸附量3.求正丁醇分子截面積一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握氣泡最大壓力法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)24

表面張力（surfacetension）的形成

液體內(nèi)部分子所受的力可以彼此抵銷，但表面分子受到體相分子的拉力大，受到氣相分子的拉力?。ㄒ?yàn)闅庀嗝芏鹊停?，所以表面分子受到被拉入體相的作用力。這種作用力使表面有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)，并使表面層顯示出一些獨(dú)特性質(zhì)，如表面張力、表面吸附、毛細(xì)現(xiàn)象、過(guò)飽和狀態(tài)等。二、實(shí)驗(yàn)原理I表面張力（surfacetension）的形成二、實(shí)驗(yàn)原25處于溶液表面的分子,受到不平衡的分子間力的作用而具有表面張力σ.(定義是在表面上垂直作用于單位長(zhǎng)度上使表面積收縮的，單位是N·m-1).從另一角度，σ也可看做使體系增加單位表面積，外界必須對(duì)體系做的功。σ這時(shí)看做表面自由能，單位J/m2表面張力和表面自由能處于溶液表面的分子,受到不平衡的分子間力的作用而具有表面張力26通過(guò)滴水瓶滴水抽氣使得體系壓力下降，大氣壓與體系壓力差△p逐漸把毛細(xì)管中的液面壓至管口，形成氣泡氣泡最大壓力法測(cè)定表面張力裝置說(shuō)明通過(guò)滴水瓶滴水抽氣使得體系壓力下降，大氣壓與體系壓力差△p逐27半徑為r的球形液珠，表面自由能為4πr2σ設(shè)半徑減小dr,表面自由能減小8πrσdr。液珠收縮的趨勢(shì)必為表面兩邊的壓力差△

P所平衡，對(duì)抗此壓力差做的功為△

P

4πr2dr。平衡時(shí)△

P

4πr2dr=8πrσdr，得△

P=2σ/r。對(duì)于曲面可推廣為△

P=σ（1/r1+1/r2),稱為Young-Laplace公式。Young-Laplace公式半徑為r的球形液珠，表面自由能為4πr2σYoung-La28繼續(xù)長(zhǎng)大時(shí)，泡的半徑又變大，泡內(nèi)外壓差下降，氣流沖入泡內(nèi)將其吹離管口。氣泡最大壓力法設(shè)毛細(xì)管半徑r,知?dú)馀輭毫ψ畲髸r(shí)，P泡內(nèi)-P泡外=△

Pmax=2σ/r式中k為儀器常數(shù)，通常用已知表面張力的物質(zhì)確定。本實(shí)驗(yàn)用電導(dǎo)水確定k。開(kāi)始形成的氣泡逐漸長(zhǎng)大，泡的曲率半徑由大變小，泡內(nèi)外壓力差逐漸增加。當(dāng)形成的氣泡剛好是半球形時(shí)，曲率半徑最小，泡內(nèi)外壓力差達(dá)到最大值。繼續(xù)長(zhǎng)大時(shí)，泡的半徑又變大，泡內(nèi)外壓差下降，氣流沖入泡內(nèi)將其29

加入表面活性物質(zhì)時(shí)溶液的表面張力會(huì)下降,溶質(zhì)在表面的濃度大于其在本體的濃度,此現(xiàn)象稱為表面吸附現(xiàn)象;單位溶液表面積上溶質(zhì)的過(guò)剩量稱為表面吸附量Γ.二、實(shí)驗(yàn)原理II*

加入表面活性物質(zhì)時(shí)溶液的表面張力會(huì)下降,溶質(zhì)在表面的濃度30對(duì)可形成單分子層吸附的表面活性物質(zhì)，溶液的表面吸附量Γ與溶液本體濃度c之間的關(guān)系符合朗格謬爾吸附等溫式:

Γ∞為單位溶液表面積上飽和吸附時(shí)溶質(zhì)的物質(zhì)的量其線性形式為*對(duì)可形成單分子層吸附的表面活性物質(zhì)，溶液的31正丁醇分子截面積的求算方法?！蓿╩ol/cm2)為飽和吸附時(shí),單位溶液表面積上吸附的溶質(zhì)的物質(zhì)的量，則每個(gè)溶質(zhì)分子在溶液表面上的吸附截面積為：式中L為阿伏加德羅常數(shù)。正丁醇分子截面積的求算方法?！蓿╩ol/cm2)為飽和吸附時(shí)32由實(shí)驗(yàn)測(cè)出不同濃度c對(duì)應(yīng)的表面張力s,利用計(jì)算機(jī)作s～c圖，擬合曲線方程s=f（c）；求導(dǎo)得到ds/dc代入吉布斯方程可計(jì)算溶液表面吸附量Γ；再利用計(jì)算機(jī)作～ｃ圖，擬合直線方程，由直線斜率可得飽和吸附量?！?1/A.計(jì)算出橫截面積A；由實(shí)驗(yàn)測(cè)出不同濃度c對(duì)應(yīng)的表面張力s,33

恒溫槽裝置；數(shù)字式微壓差計(jì)；下口瓶l個(gè)；表面張力測(cè)定儀燒杯（1000mL）；T形管1個(gè)；電導(dǎo)水；正丁醇（A.R.）及其不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液；三、儀器與試劑

恒溫槽裝置；數(shù)字式微壓差計(jì)；三、儀器與試劑341．儀器常數(shù)的測(cè)定

將表面張力測(cè)定儀清洗干凈。在干凈的表面張力測(cè)定儀中裝入電導(dǎo)水，使毛細(xì)管上端塞子塞緊時(shí)，毛細(xì)管剛好與液面垂直相切。抽氣瓶裝滿水，連接好后旋開(kāi)下端活塞使水緩慢滴出?？刂屏魉偈箽馀輳拿?xì)管平穩(wěn)脫出（每個(gè)氣泡4-6秒），記錄氣泡脫出瞬間數(shù)字微壓差計(jì)的最大數(shù)值，取三次并求平均值。四、實(shí)驗(yàn)步驟1．儀器常數(shù)的測(cè)定四、實(shí)驗(yàn)步驟352.測(cè)定正丁醇溶液的表面張力用同樣的方法測(cè)定不同濃度的正丁醇溶液的最大壓差，由稀到濃依次測(cè)定。每個(gè)濃度的溶液測(cè)量前，表面張力測(cè)定儀和毛細(xì)管一起用該溶液蕩洗二至三次。每份溶液恒溫至少3－5min之后，開(kāi)始讀數(shù)；3.重復(fù)測(cè)定電導(dǎo)水的數(shù)據(jù)。2.測(cè)定正丁醇溶液的表面張力36儀器系統(tǒng)不能漏氣，檢查。測(cè)定用的毛細(xì)管一定要洗干凈，否則氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定的流過(guò)，而使壓差計(jì)讀數(shù)不穩(wěn)定，如發(fā)生此種現(xiàn)象，毛細(xì)管應(yīng)重洗。毛細(xì)管端口一定要?jiǎng)偤么怪鼻腥胍好?，不能離開(kāi)液面，但亦不可深插。在數(shù)字式微壓差測(cè)量?jī)x上，應(yīng)讀出氣泡單個(gè)逸出是的最大壓力差。正丁醇溶液要準(zhǔn)確配置，使用過(guò)程防止揮發(fā)損失。從毛細(xì)管口脫出氣泡每次應(yīng)為一個(gè)，即間斷脫出。表面張力和溫度有關(guān)，因此要等溶液恒溫后再測(cè)量。實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)儀器系統(tǒng)不能漏氣，檢查。實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)37樣品電導(dǎo)水0.01M0.025M0.05M0.1M0.15M0.2M0.25M最大壓力差１２３平均(Nm1)Г(molm2)

室溫

大氣壓

恒溫槽溫度

五、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理

樣品電導(dǎo)水0.01M0.025M0.05M0.1M0.15M381.查室溫下水的表面張力s(H2O)

(２５℃,σH2O＝７１.９７dyn/cm)計(jì)算儀器常數(shù)：2.計(jì)算同溫度下各溶液的表面張力:

3.作s-ｃ圖；利用計(jì)算機(jī)擬合s-c關(guān)系式；五、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理

Ory=a+b*ln(1+c*x)

1.查室溫下水的表面張力s(H2O)(２５℃,σ394由吉布斯等溫式計(jì)算各溶液的表面吸附量；式中:5作～ｃ圖；確定飽和吸附量?！?/p>

所以?！?1/(L·Am)

注意：數(shù)據(jù)處理單位前后一致，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)量級(jí)錯(cuò)誤！

***4由吉布斯等溫式計(jì)算各溶液的表面吸附量；所以401、本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確與否