「溶液中的吸附作用和表面張力的測定」.doc

溶液中的吸附作用和表面張力的測定最大氣泡壓力法【摘要】本實驗采用最大氣泡壓力法測定了一系列不同濃度的正丁醇溶液的表面張力，并根據(jù)Gibbs吸附公式和Langmuir等溫方程式的到了表面張力與溶液吸附作用的關(guān)系，用作圖法求出了正丁醇分子橫截面積，從實驗上進一步了解表面張力的性質(zhì)以及表面張力和吸附的關(guān)系，并得到了一個測量表面張力的簡單有效而又精確的方法。【關(guān)鍵詞】 最大氣泡法 表面張力 吸附作用 一、前言正丁醇是一種表面活性物質(zhì)，可以使溶液表面張力下降。利用最大氣泡壓力法，可以測量出正丁醇溶液的表面張力。根據(jù)表面張力與氣泡壓力的關(guān)系，由-c曲線可以求出溶液界面上的吸附量和單個正丁醇分子的橫截面積（S）。1、物體表面的分子和內(nèi)部分子能量也不同，表面層的分子受到向內(nèi)的拉力，有自動縮小的趨勢，表面分子的能量比內(nèi)部分子大。體系產(chǎn)生新的表面（DA）所需耗費功（W）的量，其大小應(yīng)與DA成正比。在等溫下形成1m2新的表面所需的可逆功為s，稱為單位表面的表面能，其單位為Nm-1，通常稱為表面張力。 2、純液體情形下，表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此液體降低體系表面自由能的途徑是縮小其表面積。對于溶液，溶質(zhì)會影響表面張力，調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的濃度來降低表面自由能。 根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶液的表面張力時，表面層中溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部大。反之同理 。這種表面濃度與溶液里面濃度不同的現(xiàn)象叫“吸附”。 Gibbs用熱力學的方法推導(dǎo)出吸附與溶液的表面張力及溶液的濃度間的關(guān)系式G 當時，G 0，稱為正吸附。反之，時，G 0，稱為負吸附。 正丁醇溶液濃度極小時，溶質(zhì)分子平躺在溶液表面上，當濃度增加到一定程度時，被吸附了的表面活性物質(zhì)分子占據(jù)了所有表面形成了單分子的飽和吸附層。在一定溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir等溫方程式表示： 或 張力與濃度的關(guān)系圖 以C作圖可得一直線，由直線斜率即可求出。在飽和吸附情況下，正丁醇分子在氣液界面上鋪滿一單分子層，則可求得正丁醇分子的橫截面積 3、最大氣泡壓力法：當表面張力儀中的毛細管截面與欲測液面相齊時，液面沿毛細管上升。當此壓力差在毛細管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細管口溶液的表面張力時，氣泡就從毛細管口逸出。氣泡由毛細管口逸出時受到向下的總作用力為pr2P最大，而P最大P系統(tǒng)P大氣壓Dhrg氣泡受到表面張力引起的作用力為2prs。氣泡自毛細管口逸出，上述兩種力相等， 若用同一只毛細管和壓力計，在同一溫度下，對兩種溶液而言，則得： 用已知表面張力s2的液體為標準，可求出其他液體的表面張力s1。二、實驗部分：（一）實驗儀器與藥品超級恒溫水浴 南京大學應(yīng)用物理研究所數(shù)字式微壓差測量儀 南京大學應(yīng)用物理研究所 蠕動泵 常州普端流體技術(shù)有限公司恒溫套管 毛細管 100mL容量瓶 2mL移液管 正丁醇（分析純）（2） 實驗過程1、毛細管常數(shù)的測定： 按實驗裝置圖裝好儀器，打開恒溫水浴，使其溫度穩(wěn)定于25。用洗液反復(fù)清洗毛細管，之后再用蒸餾水沖洗多次，同樣把玻璃套管也清洗干凈，加上蒸餾水，插上毛細管，用套管下端的開關(guān)調(diào)節(jié)液面恰好與毛細管端面相切，使樣品在其中恒溫10分鐘。注意切勿使體系漏氣。打開蠕動泵，這時體系壓力逐漸減小，直至氣泡由毛細管口冒出，細心調(diào)節(jié)出泡速度，使之在510秒鐘內(nèi)出一個。注意氣泡爆破前數(shù)字式微壓差測量儀的讀數(shù)，并用電腦采集數(shù)據(jù)得到最大的壓差值，求平均值而得。根據(jù)手冊查出25時水的表面張力為s71.9710-3Nm-1，以s/Dh=K求出所使用的毛細管常數(shù)，此值控制在8cm左右為宜，否則毛細管太粗誤差較大，毛細管太細，易堵塞，氣泡很難逸出。2、不同濃度的正丁醇溶液表面張力的測定：用2mL移液管分別移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中，然后稀釋到刻度。重復(fù)上述實驗步驟，按照由稀至濃的順序依次進行測量。求得一系列濃度的正丁醇溶液的Dh。3、 結(jié)果與討論（一）實驗結(jié)果毛細管常數(shù) k = 1.2810-4 正丁醇飽和吸附量 =7.4825810-6 N/m 正丁醇分子的橫截面積 S0 = 2.21910-19 m2根據(jù)文獻，直鏈醇類橫截面積理論值為2.7410-192.8910-19m2 ，取2.8210-19 ，相對誤差為：|2.219-2.82|/2.82 = 18.03%（2） 結(jié)果討論與小結(jié)1、 結(jié)果討論由C圖可知，表面張力隨著正丁醇溶液濃度的增加而降低，這也與正丁醇是一種表面活性物質(zhì)符合。隨著正丁醇的濃度增大，表面張力的降低速度減慢，此時有可能已形成了單分子層的飽和吸附層。由C圖可知，當濃度較小時，吸附量隨著濃度增加而增加，但之后吸附量降低，可能由于濃度太高，被吸附在表面的正丁醇分子之間的范德華力表現(xiàn)為斥力。利用最大氣泡壓力法測量不同濃度的正丁醇水溶液的表面張力，作出c曲線求出溶液界面上的吸附量和單個正丁醇分子的橫截面積，得到S0=2.21910-19 m2，較文獻值偏小，但在數(shù)量級上基本符合而其偏小的原因應(yīng)該是最大泡壓法測得的泡壓過大。2、 實驗小結(jié)實驗操作中應(yīng)注意的問題：本實驗做的結(jié)果準確與否關(guān)鍵在于：所用毛細管和玻璃套管的清潔程度、所用毛細管的K值、出泡的速度、配制溶液時濃度的準確性、毛細管是否垂直，端部是否平整以及液面是否與毛細管的端面相切。所以所用毛細管和玻璃套管的清潔程度對結(jié)果的影響較大。實驗前必須多次清洗儀器，在實驗中也必須按照由稀到濃的順序依次進行測量，否則誤差較大。而且若毛細管不干凈則在正丁醇濃度較大時，出泡會很困難，且均勻程度也會很差。毛細管的內(nèi)徑稍有不均勻，如果不影響出泡的速度和平穩(wěn)性，對結(jié)果應(yīng)該無明顯影響。但如果內(nèi)徑變化太大或者不均勻處接近端口，使得毛細管太粗或出泡的穩(wěn)定性，就會對結(jié)果產(chǎn)生影響。出泡速度不能太快（壓力數(shù)偏低），也不能太慢（時間太長），要調(diào)節(jié)至510秒內(nèi)出一個泡，而且應(yīng)平穩(wěn)地重復(fù)出現(xiàn)壓力差。 毛細管的尖端只有與液面剛好接觸，才滿足公式 P最大P系統(tǒng)P大氣壓hg才能準確測量壓差以計算表面張力。實驗中用到的恒溫槽由于其本身控溫機制的限制，不可能做到絕對的恒溫，而吸附量與溫度有關(guān)，因此，溫度變化對實驗結(jié)果會有一定影響。因此在實驗中應(yīng)注意：溶液濃度的準確性和所用毛細管、恒溫套管的清潔程度。因此除事先用熱的洗液清洗它們以外，每改變一次測量溶液必須用待測的溶液反復(fù)洗滌它們，以保證所測量的溶液表面張力與實際溶液的濃度相一致。并控制好出泡速度、平穩(wěn)地重復(fù)出現(xiàn)壓力差。而不允許氣泡一連串地出。洗滌毛細管時切勿碰破其尖端，影響測量。注意觀察恒溫水浴的溫度，溶液應(yīng)保持在恒溫水浴中保溫以保證實驗的準確性。實驗原理中的誤差： Gibbs 公式是，使用的是溶質(zhì)的活度值，而實驗中用到的是溶液的濃度值，因此實驗值與理論值會存在一定差距。（不過對于正丁醇差距不太大）。 Langmuir等溫式是一個理想的吸附公式，它代表了在均勻表面上，吸附分子間彼此沒有作用，而且吸附是單分子層情況下吸附達平衡時的規(guī)律性。而實際情況與理想假設(shè)總會有一定差距，因此會使得由此公式得到的實驗結(jié)果存在一定偏差。【參考文獻】1 孫爾康 徐維清 邱金恒 物理化學實驗 南京大學出版社 1998年4月第1版2 付獻彩 沈文霞 姚天揚 侯文華 物理化學(第五版) 下冊 高等教育出版社 2006年1月第5版 Determination of the solution of the adsorption and surface tension The maximum bubble pressure methodAbstract By maximum bubble method can be of different concentrations of n-butanol surface tension, -c curve can seek the solution interface on the adsorption capacity and single butanol molecules cross-sectional area. In this way you can understand the relationship between tension and adsorption. Keywordsmaximum bubble pressure method, surface tension, absorption effect 【附錄】1、 原始數(shù)據(jù)圖像：圖一：蒸餾水 圖二：0.4mL正丁醇 圖三：0.8mL正丁醇 圖四：1.2mL正丁醇 圖五：1.6mL正丁醇 圖六：2.0mL正丁醇 圖七：2.4mL正丁醇 圖八：2.8mL正丁醇 正丁醇用量/mL正丁醇濃度c /(mol/L)最大壓差P /Pa0.40.04374920.80.08744391.20.13114081.60.1748371.42.00.21853582.40.2622342.52.80.3059321 二、數(shù)據(jù)處理：1.毛細管常數(shù)的測定25水的表面張力 = 71.9710-3 N/m故毛細管常數(shù) K=/PH2O = 71.97*10-3 /562.39= 1.2810-42.不同濃度正丁醇溶液表面張力的測定及圖的繪制由公式：C=V/MV0= KP=0.810g/mL，M=74.1正丁醇用量/mL正丁醇濃度c /(mol/L)最大壓差P /Pa/N*m-10.40.04374920.0629760.80.08744390.0561921.20.13114080.0522241.60.1748371.40.0475392.00.21853580.0458242.40.2622342.50.043842.80.30593210.041088根據(jù)表一，可得表二如下：C曲線由二次多項式擬合可得， = 0.06892- 0.15759 c + 0.22454 c2故 = - 0.15759 + 0.44908c3. -c圖和c/-c圖的繪制由Gibbs公式：結(jié)合式，得 ( 0.15759c - 0.44908 c2) / RT根據(jù)表一，可得表三如下：c（mol/L）（molm-2）(m2/L)0.04372.4323E-0617966.5320945.2825108.0431335.8941672.3862184.7122465.90.08744.17278E-060.13115.22143E-060.17485.57827E-060.21855.24328E-060.26224.21647E-060.30592.49784E-06根據(jù)上表，可得圖十、圖十一如下：圖十： C曲線圖十一： C/C 線性擬合曲線（刪除了濃度較高時偏離線性的數(shù)