溶液表面張力的測(cè)定-最大氣泡壓力法

實(shí)驗(yàn)七溶液表面張力的測(cè)定——最大氣泡壓力法實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠米畲髿馀莘y(cè)定不同濃度乙醇溶液的表面張力。了解表面張力的性質(zhì)，表面自由能的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系。學(xué)會(huì)鏡面法作切線的方法。實(shí)驗(yàn)原理用本法測(cè)定[乙醇，水]溶液的數(shù)據(jù)對(duì)[σ，c]，作圖將c-σ曲線在不同濃度的斜率T代入吉布斯等溫吸附式：Γ=﹣T求出相應(yīng)的吉布斯吸附量Γ；按朗格茂爾等溫吸附變形公式：C/Γc-C直線斜率tgβ求出飽和吸附量，進(jìn)而得出乙醇分子橫切面積S和分子長(zhǎng)度，結(jié)合直線截距得出吸附系數(shù)α：=（tgβ）-1以上個(gè)式中，c為濃度；T為絕對(duì)溫度（K）；σ為表面張力；Γ為吉布斯吸附量；M為溶質(zhì)摩爾質(zhì)量；ρ為溶質(zhì)密度；S為分子截面積；δ為分子長(zhǎng)；α為吸附系數(shù)；NA為阿伏伽德羅數(shù)（6.02×1023/mol）；R為氣體常數(shù)。為了求以上參數(shù)，關(guān)鍵是測(cè)σ。表面張力及界面張力，矢量。源于凝聚相界面分子受力不平衡，意為表面的單位長(zhǎng)度收縮力。σ也是在個(gè)條件下凝聚系表面相得熱力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)，如果恒溫、恒壓下擴(kuò)大單位表面積所需的可逆功，故亦稱為表面自由焓。σ與凝聚相和表面共存接觸相種類有關(guān)，還與T,P有關(guān)，與凝聚相純度和雜志種類有關(guān)。濃度升高，溶液的σ有增有減，隨溶質(zhì)、溶劑而異，表面活性劑是兩親分子，他們的水溶液σ隨濃度升高先劇降，后微升，在漸趨穩(wěn)定。σ隨c而變化的本質(zhì)是溶液表面濃度對(duì)體相濃度的偏離，此現(xiàn)象稱為表面吸附。表面吸附量Γ與濃度有關(guān)，用吉布斯等溫方程求出為σ-c曲線在指定濃度的斜率。<0,Γ>0為正吸附，表面濃度較體濃度高，達(dá)飽和吸附時(shí)，Γ趨于飽和吸附量，此時(shí)兩親分子在溶液表面處于高度有序的豎立密集，形成單分子膜。，若將蘭格繆爾等溫吸附式中的吸附量賦予吉布斯吸附量的特定意義，則可從其變形式求出設(shè)分子吸附層厚δ，δ即兩親分子長(zhǎng)。依δ*ρ=*M,由此得出求分子的式子。δ的測(cè)定方法有環(huán)法、滴重法、毛細(xì)管上升法等，其中最大氣泡法設(shè)備簡(jiǎn)單，易操作，應(yīng)用廣。此法是將下口齊平的毛細(xì)管垂直插入試液，并使管口剛與液面相切，則可看到在毛細(xì)管內(nèi)形成凹液面。凹液面受力一是大氣壓，二是附加壓力，因此凹液面受到的總壓是p1=p0+△p=p0+2σ/r.現(xiàn)對(duì)管外減壓，隨管外壓力p2=p0+ρg△h減小，|△h|增大，|r|減小，p1隨p2同步減小，故p2=p1，得：σ=rgρ△h/2由于減壓凹液面不斷下降，r為不定值，但當(dāng)凹液面上形成的小氣泡降至毛細(xì)管下口，并隨時(shí)氣流的瞬間，|r|降至極小，剛等于毛細(xì)管下口內(nèi)徑，此時(shí)△h升至最大。若在微微減壓。氣泡逸出，△h劇降，r為定值，所以只要測(cè)出最大的|△h|，即可用上式求出σ。由于r一定。故rgρ/2為定值，稱儀器常數(shù)K，可用純水的σ和同條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)得的△h求出。故：σ=K*△h=σ0*△h/△h0溶液濃度c用折射儀測(cè)出。四．儀器與藥品儀器：蓄水瓶，毛細(xì)管，試管，燒杯，U型水柱壓力計(jì)，溫度計(jì)，分液漏斗表面張力儀一套藥品：乙醇溶液：5%，10%，20%，30%，40%，50%五．實(shí)驗(yàn)步驟1．按下圖安裝好實(shí)驗(yàn)儀器，檢查儀器是否漏氣，檢查方法如下：由分液往蓄水瓶中注水，是壓力計(jì)產(chǎn)生一定的壓力差，停止加水，如果壓力計(jì)維持3~5分鐘不變，可認(rèn)為不漏氣。2．仔細(xì)用熱的鉻酸洗液洗滌毛細(xì)管。3．毛細(xì)管常數(shù)的測(cè)定：在清潔的試管中加入約1/4體積的蒸餾水，裝上清潔的毛細(xì)管，是端面恰好與液面相接，打開分液漏斗，使水緩緩滴出，以增加毛細(xì)管內(nèi)壓力，使氣泡冒出，觀察冒出的速度與壓力的關(guān)系，調(diào)節(jié)氣泡逸出速度不超過(guò)每分鐘20個(gè)，如此三次，若每次得△h，差別在2mm以內(nèi)，取平均值，求K。否則重復(fù)步驟2，然后再測(cè)。4．乙醇溶液表面張力的測(cè)定：將試管中的水倒出，用待測(cè)溶液洗滌試管和沾洗毛細(xì)管（尖端沾取待測(cè)液，然后用耳洗球吹掉內(nèi)溶液）3次，在試管中裝入待測(cè)溶液，用上述方法快速測(cè)定濃度為5%,10%,20%,30%,40%,50%的乙醇溶液壓力差△h，都測(cè)三次取平均值。六．?dāng)?shù)據(jù)處理和結(jié)果原始數(shù)據(jù)表一二三平均值蒸餾水左25.5725.4925.4825.51右19.7819.6619.7419.735%乙醇溶液左24.9624.9525.0524.99右20.2020.1520.1520.1710%乙醇溶液左24.7524.7324.7224.73右20.3820.3820.4020.3920%乙醇溶液左24.3524.2824.2024.28右20.8020.8020.8020.8030%乙醇溶液左24.0524.1024.0024.05右21.1521.1021.1521.1340%乙醇溶液左23.9523.9023.8523.90右21.2021.2521.2021.2250%乙醇溶液左23.8023.8523.7523.80右21.4021.4521.3521.401.將實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)用表格列出體積分?jǐn)?shù)濃度c（mol/L）h左（cm）h右（cm）h（cm）σ（N/m）×10-3△σ（N/m）×10-3Γ（mol/m2）×10-6C/Γ（N.m/mol）5%0.860124.9920.174.8260.6812.072.62800.327310%1.720224.7320.394.3454.6418.114.69140.366720%3.440524.2820.803.4843.8128.947.12370.483030%5.160724.0521.132.9236.7635.997.29640.707340%6.881023.9021.222.6833.7439.015.20981.320850%8.601223.8021.402.4030.2242.536.41261.34132.利用水的表面張力球毛細(xì)管常數(shù)k。由上表知蒸餾水：△h=5.78cm溫度20℃，查表得：б水=72.75×10-3N/m所以：=（72.75/0.0578)×10-3=1.259N/m23.計(jì)算各濃度乙醇溶液的表面張力。計(jì)算舉例：5%的乙醇溶液б=K×△h=1.259×0.0482=60.68×10-3N/m其余結(jié)果見上表。作σ-c圖。對(duì)上曲線方程求導(dǎo)得：y=0.9304×10-3x-8.2474×10-3所以：5%的乙醇溶液T=0.00054×0.8601-0.0064=-7.4470×10-3同理得：10%的乙醇溶液T=-6.6469×10-320%的乙醇溶液T=-5.0464×10-330%的乙醇溶液T=-3.4459×10-340%的乙醇溶液T=-1.8453×10-350%的乙醇溶液T=-1.8171×10-35計(jì)算各濃度的Γ和C/Γ。5%的乙醇溶液:Γ=﹣T=0.8601*7.447/(8.314*293.15)×10-3=2.6280×10-6mol/m2C/Γ=0.8601/2.6280×106=0.3273×10610%的乙醇溶液:Γ=﹣T=1.7202*6.6469(8.314*293.15)×10-3=4.6914×10-6mol/m2C/Γ=1.7202/4.6914×106=0.3667×10620%的乙醇溶液:Γ=﹣T=3.4405*5.0464/(8.314*293.15)×10-3=7.1237×10-6mol/m2C/Γ=3.4405/7.1237×106=0.4830×10630%的乙醇溶液:Γ=﹣T=5.1607*3.4459/(8.314*293.15)×10-3=7.2964×10-6mol/m2C/Γ=05.1607/7.2964×106=0.7073×10640%的乙醇溶液:Γ=﹣T=6.8810*1.8453/(8.314*293.15)×10-3=5.2098×10-6mol/m2C/Γ=6.8810/5.2098×106=1.3208×10650%的乙醇溶液:Γ=﹣T=8.6012*1.8171/(8.314*293.15)×10-3=6.4126×10-6mol/m2C/Γ=8.6012/6.4126×106=1.3413×1066.作C/?！狢圖，求由圖知直線的斜率為：tgβ=0.1479×106所以=（tgβ）-1=1/0.1479*10-6=6.7613×10-6七.思考題1為什么液體的表面張力隨溫度升高而減?。看穑和环N物質(zhì)的表面張力因溫度不同而異，當(dāng)溫度升高時(shí)物質(zhì)的體積膨脹，分子間的距離增加，分子之間的相互作用減弱，所以表面張力一般隨溫度的升高而減小。2儀器的清潔與否對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)有無(wú)影響？答：有影響。毛細(xì)管如果不清潔會(huì)影響氣泡逸出的速度。八.誤差分析1.實(shí)驗(yàn)裝置氣密性不好，影響壓差計(jì)的讀數(shù)。2.毛細(xì)管沒有用熱的鉻酸洗滌干凈，這是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。3.沒有調(diào)節(jié)好氣泡逸出的速度，氣泡逸出速度太快每分鐘超過(guò)30個(gè)，氣泡逸出速度不均勻。4.一次測(cè)量后沒有用待測(cè)液洗試管和沾洗毛細(xì)管。5.實(shí)驗(yàn)溫度，溶液濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)