工程學(xué)院最大氣泡壓力法測定溶液的表面張力物理化學(xué)實驗報告

最大氣泡壓力法測定溶液的表面張力物理化學(xué)實驗報告實驗名稱一、實驗?zāi)康?．掌握最大氣泡壓力法測定表面張力的原理和技術(shù)。2．通過對不同濃度乙醇溶液表面張力的測定，加深對表面張力、表面自由能、表面張力和吸附量關(guān)系的理解。二、實驗原理1、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)系遵循吉布斯吸附等溫式：Γ=–（c/RT）*（dγ/dc）①式中，Г為溶液在表層的吸附量；γ為表面張力；c為吸附達(dá)到平衡時溶液在介質(zhì)中的濃度。根據(jù)朗格謬爾（Langmuir）公式：Γ=?！轐c/（1＋Kc）②Γ∞為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時的?！辌/Γ=（1＋Kc）/（?！轐）=c/?！蓿?/?！轐③以c/Г對c作圖，則圖中該直線斜率為1/Г∞。由所得的Г∞代入Am=1/Г∞L可求被吸附分子的截面積（L為阿伏伽德羅常數(shù)）。2、本實驗用氣泡最大壓力法測定溶液的表面張力，其儀器裝置如圖1所示：圖1、最大氣泡壓力法測量表面張力的裝置示意圖恒溫套管；2、毛細(xì)管（r在0.15～0.2mm）；3、U型壓力計（內(nèi)裝水）；4、分液漏斗；5、吸濾瓶；6、連接橡皮管。將待測表面張力的液體裝于表面張力儀中，使毛細(xì)管的端面與液面相切，液面即沿毛細(xì)管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到一個比A瓶中液面上大的壓力，當(dāng)此壓力差——附加壓力（△P=P大氣–P系統(tǒng)），附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關(guān)系式為：ΔP=2γ/R④式中，ΔP為附加壓力；γ為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。根據(jù)上式，R=r時的最大附加壓力為：ΔP最大=2γ/r⑤實際測量時，使毛細(xì)管端剛與液面接觸，則可忽略氣泡鼓起所需克服的靜壓力，這樣就可以直接用上式進(jìn)行計算。當(dāng)將其它參數(shù)合并為常數(shù)K時，則上式變?yōu)椋害?KΔP最大⑥式中儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測得。三、儀器藥品1、儀器：最大泡壓法表面張力儀1套，洗耳球1個，移液管(50ml和10ml)各一支，燒杯（500mL）。2、藥品：正丁醇（分析純），蒸餾水。四、實驗步驟1、儀器的準(zhǔn)備與檢漏將表面張力儀容器和毛細(xì)管先用洗液洗凈，再順次用自來水和蒸餾水漂洗，烘干后按圖5-9接好，檢查是否漏氣。2、儀器常數(shù)的測定調(diào)節(jié)液面與毛細(xì)管相切，并調(diào)節(jié)分液漏斗，使氣泡由毛細(xì)管尖端成單泡逸出，且速度控制在每分鐘形成氣泡5~10個（數(shù)顯微壓差測量儀為5~10s），當(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓力計中液位差達(dá)到最大值，當(dāng)顯示的最大值比較穩(wěn)定時，記下數(shù)據(jù)，重復(fù)調(diào)節(jié)2次并記下相應(yīng)的數(shù)值。再由手冊查出實驗溫度時水的表面張力，求得儀器常數(shù)K。3、表面張力隨溶液濃度變化的測定在上述體系中，按濃度從高到低的順序依次測定預(yù)先配好的正丁醇溶液的△P最大值，每次置換溶液前都先用溶液潤洗2次，再按2方法測定。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理1、實驗數(shù)據(jù)的記錄恒溫槽溫度室溫大氣壓γ水25℃26.5℃99.66KPa71.18×10-3N.m-1cmol.dm-3ΔP最大ΔP最大，1ΔP最大，2ΔP最大，3γN/mΓmol*m-2c/Γ×107m-1水628.36316276270.07118——0.02610.06106106100.069111.612*10-61.2410.04561.75615615630.063642.953*10-61.3550.06538.35405387370.060994.022*10-61.4920.085105105105100.057784.820*10-61.6600.10490.74904904920.055605.347*10-61.8700.12452.34544514520.051255.603*10-62.1420.16442.74434434420.050165.301*10-63.0180.204024014024030.045553.914*10-65.1100.24393.73953923940.044611.442*10-616.6432、計算儀器常數(shù)K值∵γ=KΔp∴K=γ水/ΔP最大=0.07118/628.3=1.133×10-4m根據(jù)K值得到一組γ值，γ=KΔp以γ(N/m)--c(mol.m-3)作圖如下:根據(jù)上圖，可以得到γ-c的關(guān)系式為γ=4.20202×10-7c2-2.16593×10-4c+0.07由此得到dγ/dc=8.40404×10-7c-2.16593×10-4，其中c的單位為mol.m-3根據(jù)Γ=–（c/RT）*（dγ/dc）便可求出不同濃度下的Γ和c/Γ，結(jié)果見上表3、繪制Γ-c等溫線通過公式Γ=–（c/RT）/（dγ/dc）就得一組Γ。以Γ×10-6mol.m-2--c/（mol.m-3）作圖如下：Γ-c等溫線4、計算Amc/Γ-c等溫線從圖中得出：斜率1/?！?5.298*105即?！?1.888*10-6mol·m-2所以，Am=1/?！轑=1/（1.888*10-6*6.02*1023）=8.798*10-19m2六、注意事項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.讀取壓力計的壓差時，應(yīng)取單個逸出時的最大壓力差。七、結(jié)果與討論1、這次的實驗操作的步驟很簡單，就是實驗量比較大，數(shù)據(jù)比較容易產(chǎn)生誤差。從得到的c/Γ-c等溫線來看，得到的數(shù)據(jù)不是很理想，擬合出的直線不夠精確?？赡艿脑蛴校孩僖好鏇]有跟毛細(xì)管底部完全相切；②沒有等到氣泡穩(wěn)定了再讀數(shù)。2、本實驗是通過測最大氣泡來測定溶液的表面張力，計算過程中巧妙地用求導(dǎo)的方法間接地來求出τ-c的切線。所用的毛細(xì)管必須干凈，干燥，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切；讀取壓力計的壓差時，應(yīng)取氣泡單個溢出時的最大壓力差。3、使用的張力管及毛細(xì)管的洗滌要徹底。如果毛細(xì)管洗滌不干凈，不僅影響表面張力值，而且會使氣泡不能有規(guī)律地單個連續(xù)逸出。毛細(xì)管插入溶液中的深度直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，這是因為溶液的靜壓力會增加對氣泡壁的壓強(qiáng)，為了減少靜壓力的影響，應(yīng)盡可能減少毛細(xì)管的插入和深度，使插入深度與液面剛好相切。八、思考題1.毛細(xì)管尖端為何必須調(diào)節(jié)得恰與液面相切？否則對實驗有何影響？答：如果將毛細(xì)管末端插入到溶液內(nèi)部，毛細(xì)管內(nèi)會有一段水柱，產(chǎn)生壓力Pˊ，則測定管中的壓力Pr會變小，△pmax會變大，測量結(jié)果偏大。2.最大氣泡法測定表面張力時為什么要讀取最大壓力差？如果氣泡逸出的很快，活幾個氣泡一齊出，對實驗結(jié)果有無影響？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，表面幾乎是平的，這時曲率半徑最大；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，此時能承受的壓力差為最大：△pmax=p0-pr=2σ/γ。氣泡進(jìn)一步長大，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)字式微壓差測量儀得到。如氣泡逸出HYPERLINK"/z/Search.e?sp=S%E9%80%9F%E5%BA%A6%E9%80%9F%E5%BA%A6&ch=w.search.yjjlink&cid=w