實(shí)驗(yàn)七-最大氣泡壓力法測(cè)定溶液的表面張力

1、.一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握最大氣泡壓力法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)。2通過對(duì)不同濃度乙醇溶液表面張力的測(cè)定，加深對(duì)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(shí)驗(yàn)原理 1、在一定溫度下純液體的表面張力為定值，當(dāng)加入溶質(zhì)形成溶液時(shí)，表面張力發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的性質(zhì)和加入量的多少。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時(shí)，表面層溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時(shí)，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低，這種表面濃度與內(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： = （c/R

2、T）*（d/dc） 式中，為溶液在表層的吸附量；為表面張力；c為吸附達(dá)到平衡時(shí)溶液在介質(zhì)中的濃度。根據(jù)朗格謬爾（Langmuir）公式： =Kc/（1Kc） 為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時(shí)的 c/ =（1Kc）/（K） = c/1/K 以c/對(duì)c作圖，則圖中該直線斜率為1/。由所得的代入Am=1/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(shí)驗(yàn)用氣泡最大壓力法測(cè)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(cè)量表面張力的裝置示意圖1、 恒溫套管；2、毛細(xì)管（r在0.150.2mm）；3、U型壓力計(jì)（內(nèi)裝水）；4、分液漏斗；5、吸濾瓶；6、連接橡皮管。將待測(cè)

3、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(gè)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)）在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管液體的表面張力時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口脫出，此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： P=2/R 式中，P為附加壓力；為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。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(shí)，表面幾乎是平的，這時(shí)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(shí)的曲率半徑R和毛細(xì)管的半徑r相等，曲率半徑最小值

4、，根據(jù)上式這時(shí)附加壓力達(dá)最大值。氣泡進(jìn)一步長(zhǎng)大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。根據(jù)上式，R=r時(shí)的最大附加壓力為：P最大= 2/r 實(shí)際測(cè)量時(shí)，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(jì)算。當(dāng)將其它參數(shù)合并為常數(shù)K時(shí)，則上式變?yōu)椋?=KP最大 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(cè)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(gè)，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(shí)驗(yàn)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(lái)水和蒸餾水漂洗，烘干后按圖

5、5-9接好，檢查是否漏氣。2、儀器常數(shù)的測(cè)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510個(gè)（數(shù)顯微壓差測(cè)量?jī)x為510s），當(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓力計(jì)中液位差達(dá)到最大值，當(dāng)顯示的最大值比較穩(wěn)定時(shí)，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(cè)查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)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(cè)定在上述體系中，按濃度從高到低的順序依次測(cè)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(rùn)洗2次，再按2方法測(cè)定。五、注意事項(xiàng)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

6、。3.讀取壓力計(jì)的壓差時(shí)，應(yīng)取單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄恒溫槽溫度室溫大氣壓水2525.4100.57KPa71.1810-3N.m-1c mol.dm-3P平均P最大，1P最大，2P最大，310-3 N/m10-6 mol*m-2c/107 m-1水747.777577377671.18000.0274574474674568.541.3521.4790.04714.771471571565.782.5011.5990.0666566566566561.183.4501.7390.08631.763163263258.124.1931.9080.1060

7、5.760560660655.694.7372.1110.12584.358458558453.765.0752.3640.1656356356356351.805.1483.1080.20522.352352252248.054.4124.5330.24493.349349349445.382.8668.3742、計(jì)算K值 = KpK=水/P最大=71.1810-3/608.33=1.1710-4m根據(jù)K值得到一組值，以(N/m)-c (mol.m-3)作圖如下: 根據(jù)上圖，可以得到-c的關(guān)系式為=0.3187c2-0.1831c+0.07154 由此得到d/dc=0.6374c-0.183

8、1，其中c的單位為mol.m-3 根據(jù) = （c/RT）*（d/dc） 便可求出不同濃度下的 和c/ ，結(jié)果見上表3、繪制-c等溫線通過公式 = （c/RT）/（d/dc）就得一組。以10-6mol.m-2- c /（ mol.dm-3）作圖如下：4、計(jì)算Am由c/-c等溫線圖可知其斜率1/ =26.693104，所以=3.746310-6molm-2所以Am=1/(L)=1/（3.746310-6 6.0221023）=4.43310-19m2；誤差計(jì)算：（4.43310-19-3.210-19）/3.210-19=38.53%七、結(jié)果與討論1、這次的實(shí)驗(yàn)操作的步驟很簡(jiǎn)單，就是實(shí)驗(yàn)量比較大，

9、數(shù)據(jù)比較容易產(chǎn)生誤差。從得到的c/-c等溫線來(lái)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蛴校阂好鏇]有跟毛細(xì)管底部完全相切；沒有等到氣泡穩(wěn)定了再讀數(shù)。2、本實(shí)驗(yàn)是通過測(cè)最大氣泡來(lái)測(cè)定溶液的表面張力，計(jì)算過程中巧妙地用求導(dǎo)的方法間接地來(lái)求出-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(jì)的壓差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)溢出時(shí)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(huì)使氣泡不能有規(guī)律地單個(gè)連續(xù)逸出。毛細(xì)管插入溶液中的深度直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，這是因?yàn)槿芤旱撵o壓力會(huì)增加對(duì)氣泡壁的壓強(qiáng)，為了減少靜壓

10、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。 4、 如果液面是彎曲，其表面的作用力不是水平的，將有一個(gè)合力，當(dāng)液面為凸時(shí)，合力指向液體內(nèi)部，當(dāng)液面為凹時(shí)，合力指向液體外部，這就是附加壓力的來(lái)源。由于附加壓力而引起的液面與管外液面有高度差的現(xiàn)象稱為毛細(xì)管現(xiàn)象。5、 毛細(xì)管清潔處理應(yīng)特別的予以重視，熱風(fēng)吹干及電爐烘烤的辦法應(yīng)當(dāng)避免，蕩洗是好辦法，但應(yīng)盡量徹底。毛細(xì)管內(nèi)部可借助洗耳球，但必須細(xì)心，不應(yīng)使液體進(jìn)入洗耳球內(nèi)。6、 測(cè)定液體表面張力除氣泡的最大壓力法外，常用的還有毛細(xì)管上升法、滴重法等。7、 0 正吸附，0 負(fù)吸附，=0 無(wú)吸附作用八、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(duì)實(shí)驗(yàn)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(huì)有一段水柱，產(chǎn)生壓力P，則測(cè)定管中的壓力Pr會(huì)變小，pmax會(huì)變大，測(cè)量結(jié)果偏大。 2.最大氣泡法測(cè)定表面張力時(shí)為什么要讀取最大壓力差？如果氣泡逸出的很快，活幾個(gè)氣泡一齊出，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有無(wú)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(shí)，表面幾乎是平的，這時(shí)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(shí)曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相