物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)：最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力

1、最大泡壓法測(cè)定溶最大泡壓法測(cè)定溶 液的表面張力液的表面張力 2015年年5月月 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?1.了解表面張力的性質(zhì)以及表面張力與吸附量了解表面張力的性質(zhì)以及表面張力與吸附量 的關(guān)系；的關(guān)系； 2.掌握最大泡壓法測(cè)定表面張力的原理和方法；掌握最大泡壓法測(cè)定表面張力的原理和方法； 3.測(cè)定不同濃度正丁醇水溶液的表面張力，計(jì)測(cè)定不同濃度正丁醇水溶液的表面張力，計(jì) 算吸附量。算吸附量。 表面張力表面張力 方向：對(duì)于平液面是沿著液面并與方向：對(duì)于平液面是沿著液面并與平液面平行平液面平行， 對(duì)于對(duì)于彎曲液面彎曲液面則與液面則與液面相切相切。 L dl 平液面表面張力示意圖球形液面表面張力示意

2、圖 表面張力 表面張力是表面張力是垂直作用垂直作用于表面上單位長(zhǎng)度的收縮力于表面上單位長(zhǎng)度的收縮力 表面張力是使表面張力是使液體表面縮小的力液體表面縮小的力 物質(zhì)/(10-3 Nm-1) T/K物質(zhì)/(10-3 Nm-1) T/K 水(液)72.75293W(固)29002000 乙醇(液)22.75293Fe(固)21501673 苯(液)28.88293Fe(固)18801808 丙酮(液)23.7293Hg(液)485293 正辛醇(液水)8.5293NaCl(固)227298 正辛酮(液)27.5293KCl(固)110298 正己烷(液水)51.1293MgO(固)1200298 正

3、己烷(液)18.4293CaF2(固)45078 正辛烷(液水)50.8293He(液)0.3082.5 正辛烷(液)21.8293Xe(液)18.6163 三三. 表面張力及其影響因素：表面張力及其影響因素： （1）與物質(zhì)的本性有關(guān)）與物質(zhì)的本性有關(guān)分子間相互作用力越大，分子間相互作用力越大， 越大。越大。 例：例：氣液界面：氣液界面： (金屬鍵金屬鍵) (離子鍵離子鍵) (極性鍵極性鍵) (非極性鍵非極性鍵) 界界 面面 /mN m-1 界界 面面/mN m-1 水水 正己烷正己烷 水水 正辛烷正辛烷 水水 氯仿氯仿 水水 四氯化碳四氯化碳 水水 正辛醇正辛醇 51.1 50.8 32.8

4、 45.1 8.5 水水 乙醚乙醚 水水 苯苯 水水 硝基苯硝基苯 水水 汞汞 苯苯 汞汞 10.7 35.0 25.66 375.0 357.0 （2） 與接觸相的性質(zhì)有關(guān)。與接觸相的性質(zhì)有關(guān)。 同一物質(zhì)同一物質(zhì)： (固體固體) (液體液體) 7 溫度升高，界面張力下降。溫度升高，界面張力下降。 極限情況：極限情況：TTc時(shí)，時(shí)， 0。 T 氣相中分子密度氣相中分子密度 液相中分子距離液相中分子距離 （有例外）（有例外） 其中：其中： 0與與n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。 0 0 1 1 n n c c T /TT /T t / C 0 20 40 60 80 100 水水 乙醇乙醇 甲醇甲醇

5、CCl4 丙酮丙酮 甲苯甲苯 苯苯 75.64 24.05 24.5 26.2 30.74 31.6 72.75 22.27 22.6 26.8 23.7 28.43 28.9 69.58 20.60 20.9 24.3 21.2 26.13 26.3 66.18 19.01 21.9 18.6 23.81 23.7 62.61 16.2 21.53 21.3 58.85 15.7 19.39 液體液體 /mN m -1 （3） 溫度的影響：溫度的影響： 8 （4）壓力的影響。）壓力的影響。 P a表面分子受力不對(duì)稱的程度表面分子受力不對(duì)稱的程度 b氣體分子可被表面吸附，改變氣體分子可被表面吸

6、附，改變 , c氣體分子溶于液相氣體分子溶于液相 1atm H2O = 72.8 mN/m 10atm H2O = 71.8 mN/m 一般：一般：p10atm, 1mN/m，例，例: 2021-7-59 GibbsGibbs表面吸附方程表面吸附方程 杯中水和表面水受力不一產(chǎn)生表面張力杯中水和表面水受力不一產(chǎn)生表面張力 加入茶葉后表面張力是否變化？加入茶葉后表面張力是否變化？ 如何變化如何變化? ? 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn): : 液態(tài)金屬中溶解溶質(zhì)，會(huì)改變液態(tài)金屬的表面張力液態(tài)金屬中溶解溶質(zhì)，會(huì)改變液態(tài)金屬的表面張力和和熔熔 體體/晶體的界面張力。晶體的界面張力。 有些溶解有些溶解溶質(zhì)溶質(zhì)會(huì)使表面張

7、力增大，有些溶解會(huì)使表面張力增大，有些溶解溶質(zhì)溶質(zhì)會(huì)使表面張力會(huì)使表面張力 減小。減小。 2021-7-510 熱力學(xué)熱力學(xué)上上，系統(tǒng)總是向減少自由能方向進(jìn)行系統(tǒng)總是向減少自由能方向進(jìn)行液體表面液體表面 的自由能總是趨向最小。的自由能總是趨向最小。 如果加入溶質(zhì)如果加入溶質(zhì)B如果降低了溶劑如果降低了溶劑A的表面張力，則表面層就會(huì)吸的表面張力，則表面層就會(huì)吸 收更多的溶質(zhì)原子形成正吸附現(xiàn)象。收更多的溶質(zhì)原子形成正吸附現(xiàn)象。 反之，如果加入溶質(zhì)反之，如果加入溶質(zhì)B后，增加了溶劑的表面張力，則表面層就后，增加了溶劑的表面張力，則表面層就 會(huì)排斥溶質(zhì)原子會(huì)排斥溶質(zhì)原子B，而形成負(fù)吸附現(xiàn)象。，而形成負(fù)吸

8、附現(xiàn)象。 如果加入溶質(zhì)如果加入溶質(zhì)B后，并不改變?nèi)軇┑谋砻鎻埩?，則不形成吸附現(xiàn)后，并不改變?nèi)軇┑谋砻鎻埩Γ瑒t不形成吸附現(xiàn) 象，整個(gè)溶液濃度是均勻的。象，整個(gè)溶液濃度是均勻的。 2021-7-511 吉布斯溶液表面的吸附公式，通常寫(xiě)成：吉布斯溶液表面的吸附公式，通常寫(xiě)成： 表明了溶質(zhì)對(duì)某液相的活性表明了溶質(zhì)對(duì)某液相的活性和和和和非活性的程度非活性的程度 指恒溫時(shí)，表面（界面）張力隨表面濃度的變化率，指恒溫時(shí)，表面（界面）張力隨表面濃度的變化率， 稱為表面活性。稱為表面活性。 時(shí)，表明隨著溶質(zhì)濃度增加，溶液的界面張力降低時(shí)，表明隨著溶質(zhì)濃度增加，溶液的界面張力降低 0 時(shí)，表明隨著溶質(zhì)濃度增加，溶

9、液的界面張力時(shí)，表明隨著溶質(zhì)濃度增加，溶液的界面張力也增也增 大大 0 時(shí)，即界面溶質(zhì)濃度變化量，此時(shí)無(wú)吸附現(xiàn)象發(fā)生。時(shí)，即界面溶質(zhì)濃度變化量，此時(shí)無(wú)吸附現(xiàn)象發(fā)生。 =0 T CRT C )( T C)/( 0)/( T C 0)/( T C 0)/( T C r r 2 1 pK pr 二、實(shí)驗(yàn)原理二、實(shí)驗(yàn)原理 如用同一根毛細(xì)管測(cè)量?jī)煞N如用同一根毛細(xì)管測(cè)量?jī)煞N 液體的表面張力分別為液體的表面張力分別為1，2， 則則 1r1 2 1 ， pr 2r2 2 1 ， pr K為毛細(xì)管常數(shù)為毛細(xì)管常數(shù) 2r 1r 2 1 ， ， p p 已知已知2，便可就得，便可就得1 1r 12 2r 1r 1，

10、 ， ， 或pK p p 三、實(shí)驗(yàn)裝置三、實(shí)驗(yàn)裝置 微壓差測(cè)量?jī)x微壓差測(cè)量?jī)x p#(大氣壓大氣壓) pA pr= p#-pA 四、實(shí)驗(yàn)步驟四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.按圖組裝儀器。按圖組裝儀器。 2.用蒸餾水測(cè)定毛細(xì)管常數(shù)用蒸餾水測(cè)定毛細(xì)管常數(shù)K 。 3.計(jì)算所需計(jì)算所需0.5 molL-1正丁醇體積，并配制正丁醇體積，并配制25 ml各各 濃度正丁醇水溶液。濃度正丁醇水溶液。 4.測(cè)定不同濃度正丁醇水溶液的表面張力。測(cè)定不同濃度正丁醇水溶液的表面張力。每次測(cè)每次測(cè) 量前洗滌毛細(xì)管內(nèi)壁及試管量前洗滌毛細(xì)管內(nèi)壁及試管2-3次，保護(hù)毛細(xì)管尖次，保護(hù)毛細(xì)管尖 部。部。 5.處理數(shù)據(jù)作圖，并求出表面張力、吸附量。處理數(shù)據(jù)作圖，并求出表面張力、吸附量。 五、數(shù)據(jù)記錄五、數(shù)據(jù)記錄 表表1 蒸餾水蒸餾水pr的測(cè)定的測(cè)定 蒸餾蒸餾水水123456pr(平均值平均值) pr(kPa) 查表可得查表可得室溫下室溫下的的H2O，利用，利用H2O = 1/2r pr = Kpr，求，求 得毛細(xì)管常數(shù)得毛細(xì)管常數(shù)K。 五、數(shù)據(jù)記錄五、數(shù)據(jù)記錄 表表2 各濃度正丁醇的各濃度正丁醇的pr的測(cè)定的測(cè)定 正丁醇正丁醇 molL-1 123456pr (平均值平均值) 1(Nm-1) 0.02 0.05 0.10 0.20 0.25 0.30 0.35 0.50 1r 12 2r 1r 1， ，