溶液表面張力的測定xie

PAGEPAGE4一．引言[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯用最大氣泡法測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力。利用吉布斯公式計(jì)算不同濃度下正丁醇溶液的吸附量，進(jìn)而求出正丁醇分子截面積和吸附分子層厚度。學(xué)會鏡面法作切線的方法。[實(shí)驗(yàn)原理]在液體內(nèi)部，任何分子受周圍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，表面層的分子處于力不平衡狀態(tài)，表面層的分子比液體內(nèi)部分子具有較大的勢能，如欲使液體產(chǎn)生新的表面就需對其作功。在溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆的使表面積增加所需作的功為W=dA(1)比例系數(shù)等于在等溫等壓下形成單位表面所需的可逆功，其比值等于作用在界面上每單位長度邊緣上的力，稱為表面張力。在純物質(zhì)情況下，表面層的組成與內(nèi)部的相同，但溶液的情況卻不然，加入溶質(zhì)后溶液的表面張力發(fā)生變化。根據(jù)能量最低原則，當(dāng)溶質(zhì)降低溶劑的表面張力時(shí)，表面層中的溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部的大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時(shí)，它在表層中的濃度比在內(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)的吸附量與溶液的濃度及溶液的表面張力隨濃度的變化率有關(guān)，從熱力學(xué)可知，他們之間的關(guān)系遵守吉布斯吸附公式：（2）式中；溶于溶液中能使其表面張力降低的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)，工業(yè)和日常生活中廣泛應(yīng)用的去污劑，乳化劑，潤滑劑以及起泡劑等都是表面活性物質(zhì)。它們的主要作用發(fā)生在界面上，所以研究這些物質(zhì)的表面效應(yīng)是有實(shí)際意義的。如果作曲線，開始時(shí)隨c的增加而下降較快，以后的變化比較緩慢。根據(jù)曲線，可以用作圖法求出不同濃度的值。在曲線上任取一點(diǎn)a，過a點(diǎn)作曲線的切線以及平行于橫坐標(biāo)的直線分別交縱坐標(biāo)軸于、，令曲線上取不同的點(diǎn)，就可以得出不同的值，從而可以求出不同濃度下的吸附量。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，吸附量與溶液濃度之間有如下關(guān)系：（3）式中為飽和吸附量，k為常數(shù)。上式可以改寫為如下形式：（4）若以對作圖，應(yīng)為一直線，其斜率的倒數(shù)即為由于單位面積上的分子數(shù)為（為阿弗加德羅常數(shù)），所以每個(gè)分子在表面上所占的面積，即分子的截面積為：（5）我們還可以從下式求出表面活性物質(zhì)飽和吸附分子層的厚度：（6）其中為溶質(zhì)摩爾質(zhì)量，為溶質(zhì)密度。本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡法測定液體表面張力，原理如圖31-2所示。將待測液體裝入大試管4中，使毛細(xì)管1的端面于液面相切，液面即沿毛細(xì)管上升。打開抽氣瓶3的活塞抽氣。毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到比試管4較大的壓力，當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管口的液體的表面張力時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口被壓出。這個(gè)最大的壓力差值可由形壓力計(jì)2讀出：式中形壓力計(jì)兩邊讀數(shù)之差，g為重力加速度，為壓力計(jì)內(nèi)液體的密度。另一方面，當(dāng)氣泡在毛細(xì)管口逐漸長大時(shí)，其曲率半徑逐漸漸小。氣泡達(dá)到最大時(shí)便會破裂，此時(shí)曲率半徑最小，等于毛細(xì)管半徑R。這時(shí)氣泡能承受的壓力差最大，為它應(yīng)等于即（7）若用同一支毛細(xì)管和壓力計(jì)，對兩種具有不同表面張力和的液體進(jìn)行測量，下列關(guān)系式成立：故有（8）式中的值對于同一只毛細(xì)管及同一種壓力計(jì)介質(zhì)是常數(shù)，稱作儀器常數(shù)。由已知表面張力的液體作標(biāo)準(zhǔn)求出常數(shù)，便可用上式求其它液體的表面張力。實(shí)驗(yàn)部分[儀器和藥品]計(jì)算機(jī)及接口；LZ-P2微壓（壓差）計(jì)；表面張力儀（自制）一套；900ml、500ml燒杯各一個(gè)；100ml容量瓶5個(gè)；50ml、25ml移液管各一支；滴管一支；吸耳球；洗瓶；0.4mol·dm-3正丁醇水溶液[實(shí)驗(yàn)步驟]配制溶液用實(shí)驗(yàn)室已準(zhǔn)備好的0.4mol·dm-3正丁醇水溶液分別稀釋配制0.3、0.2、0.1、0.05、0.025mol·dm-3的正丁醇水溶液。打開電源，檢查儀器裝置與藥品。讀取水浴溫度計(jì)的讀數(shù)。打開計(jì)算機(jī)，選擇數(shù)據(jù)采集-表面張力，雙擊進(jìn)入。測定儀器常數(shù)。用去離子水充分洗凈大試管和毛細(xì)管，并往大試管中注入適量去離子水，使毛細(xì)管端口與水面剛好垂直相切。將大試管安裝在水浴中，給抽氣瓶注滿水，檢查活塞，打開三通管與大氣相連，單擊開始，穩(wěn)定10~20秒后，關(guān)閉與大氣相連的三通管，打開抽氣瓶的活塞，使瓶內(nèi)的水漫漫滴出，觀察微壓壓差計(jì)的讀數(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集界面采集數(shù)據(jù)的變化。穩(wěn)定后，記錄100秒氣泡吐出的數(shù)據(jù)。單擊完成，并命名存盤。5、測定正丁醇水溶液的表面張力。方法同4，分別測定0.4、0.3、0.2、0.1、0.05、0.025mol·dm-3的正丁醇水溶液。注意每次測量前應(yīng)用待測溶液清洗大試管和毛細(xì)管。測定完畢后退出。觀察并讀取水浴溫度計(jì)的讀數(shù)。[關(guān)鍵操作以及注意事項(xiàng)]一定要把大試管及毛細(xì)管洗干凈，溶液配制一定要準(zhǔn)確。毛細(xì)管一定要于液面垂直相切，出泡不可過速。抽氣瓶的活塞調(diào)好后就不要再隨便動，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。[數(shù)據(jù)記錄]實(shí)驗(yàn)室大氣壓：101.6Kpa室溫：23.0℃選擇并雙擊物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，選擇并雙擊表面張力，輸入平均溫度、溶液濃度、正丁醇密度、水的表面張力，點(diǎn)擊打開，選擇已測定完畢的該溶液濃度的文件并打開，將光標(biāo)移動到三通管與大氣相連起始的10~20秒處，點(diǎn)擊壓力端點(diǎn)1，再將光標(biāo)移動到開始吐泡的最高點(diǎn)，點(diǎn)擊壓力端點(diǎn)2，差值△E就會顯示出來，多次選擇，顯示值為平均值。點(diǎn)擊提交，溶液濃度和差值△E就會在下表顯示出來。點(diǎn)擊清空，再輸入另一溶液的測定數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)處理，就可以得到計(jì)算結(jié)果。[數(shù)據(jù)處理]作圖。在曲線上取15個(gè)點(diǎn)，用鏡面法做出各點(diǎn)的切線，求出值。C(mol/l)Z(N/M)Γ(mol/m/m)xC/Γ0.0250.00485181.957290.0127727620.050.00727772.935940.0170303210.0750.00873320.10.00970353.914590.0255454590.1250.01039670.150.01091650.1750.01132080.20.01164434.69750.0425758380.2250.01190890.250.01212940.2750.0123160.30.0124765.033040.0596061230.3250.01261460.350.01273590.3750.0128429作直線，由直線斜率求出，并計(jì)算出正丁醇分子的截面積及飽和吸附分子層厚度。數(shù)據(jù)處理中所要求的飽和吸附量為Γ為5.8719E-6mol/m/m分子的截面積為Q=2.8290E-19m*m分子層厚度d=5.4396E-10m這些數(shù)據(jù)已經(jīng)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)算出，這里就不再重復(fù)計(jì)算。[誤差分析]1從表面吸附平衡來考慮，最大氣泡法基本屬動態(tài)法。由于氣泡的形成速度較快，難以保證在氣泡形成過程中表面吸附平衡的建立，特別是用目前通用的最大氣泡法測定裝置，控制好氣泡以較慢速度形成并非易事，致使測定結(jié)果偏高.2實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品管中所加液體必須與毛細(xì)管相切，實(shí)驗(yàn)時(shí)不易掌握，需要反復(fù)調(diào)節(jié)液，使氣泡由毛細(xì)管口成單泡逸出，并控制氣泡的形成頻率。3體的體積，既費(fèi)時(shí)間，又易引入雜質(zhì)，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。[實(shí)驗(yàn)改進(jìn)]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)，能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性．具有操作簡單、快速、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)．[思考與討論]為什么說儀器的干凈及樣品的純凈是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵？儀器不干凈或者樣品不純，會導(dǎo)致配制的溶液濃度有偏差，而溶液的表面張力與溶液的濃度直接相關(guān)，所以儀器不干凈或者樣品不純會直接影響測量的結(jié)果，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。氣泡形成速度的快慢對結(jié)果有何影響？如果每次出2-3個(gè)氣泡對結(jié)果有和影響？氣泡形成速度關(guān)系到峰值曲線測定的準(zhǔn)確程度，出得太快，峰值太密，選擇性不好；出得太慢，氣泡與溶液接觸時(shí)間太長，會使氣體有部分溶于溶液中，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)，所以，要通過調(diào)節(jié)抽氣瓶的活塞來控制氣泡產(chǎn)生的速度，在允許的范圍內(nèi)，可以稍慢一些。如果每次出2-3個(gè)氣泡，會使屏幕上的峰值有較大的波動，峰值位置相差較大，這樣采集的數(shù)據(jù)就失去了有效性。為什么毛細(xì)管端口必須和液面相切？毛細(xì)管內(nèi)徑的均勻與否對結(jié)果有無影響？因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)要求測得是液體表面張力，數(shù)據(jù)必須從表層液體采集，而深層的液體濃度與表層不同，如果毛細(xì)管插得過深，測得的數(shù)據(jù)就有偏差，而毛細(xì)管如果沒有和液面接觸上，那就測不到表面張力，也不能觀察到氣泡產(chǎn)生。所以毛細(xì)管一定要和液面相切。如果毛細(xì)管內(nèi)徑不均會使端口與液面相接觸氣體的力學(xué)性質(zhì)受到影響，所測的結(jié)果也會有影響，但具體偏大還是偏小還無法確定。[實(shí)驗(yàn)心得]這次實(shí)驗(yàn)是我最后一次物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)了，轉(zhuǎn)眼間又快到期末了。不同于其他化學(xué)實(shí)驗(yàn)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)偏重于要求我們?nèi)ビ脙x器精密的測量一些量從而來掌握物質(zhì)的一些性質(zhì)，而不是去觀察反應(yīng)。并且有些實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長，很鍛煉人的耐心，在我的后三個(gè)實(shí)驗(yàn)里還聯(lián)系了用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)的方法實(shí)驗(yàn)?？偠灾谶@個(gè)學(xué)期里，通過物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)我學(xué)到了很多東西，對于物理化學(xué)的知識也更加牢固了，因?yàn)橛辛藢?shí)驗(yàn)的直接體驗(yàn)