最大泡壓法測定溶液表面張力實驗報告

1、最大泡壓法測定溶液表面張力 實驗報告最大泡壓法測定溶液表面張力一.實驗?zāi)康模? 明確表面張力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意義;2 掌握最大泡壓法測定溶液表面張力的原理和技術(shù)；3 掌握計算表面吸附量和吸附質(zhì)分子截面積的方法。二實驗原理：1 表面張力和表面吸附液體表面層的分子一方面受到液體內(nèi)層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引， 由于前者的作用要比后者大，因此在液體表面層中，每個分子都受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡 力，如圖1所示，這種吸引力使表面上的分子自發(fā)向內(nèi) 擠促成液體的最小面積，因此，液體表面縮小是一個自 發(fā)過程。在溫度、壓力、組成恒定時，每增加單位表面積， 體

2、系的吉布斯自由能的增值稱為表面吉布斯自由能(Jm-2)，用丫表示。也可以看作是垂直作用在單位 長度相界面上的力，即表面張力(N-m -1 )。欲使液體產(chǎn)生新的表面 S，就需對其做表面功， 其大小應(yīng)與S成正比，系數(shù)為即為表面張力y :-W= Yx S(1)圖1液體表面與分子內(nèi)部受力情況圖在定溫下純液體的表面張力為定值，當(dāng)加入溶質(zhì)形成溶液時，分子間的作用力發(fā)生變化，表面張力也 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。水溶液表面張力與其組成的關(guān)系大致有以下 三種情況：(1) 隨溶質(zhì)濃度增加表面張力略有升高；(2) 隨溶質(zhì)濃度增加表面張力降低，并在開始時降得快些；(3) 溶質(zhì)濃度低時表面

3、張力就急劇下降，于某一濃度后表面張力幾乎不再改變。以上三種情況溶質(zhì)在表面層的濃度與體相中的濃度都不相同，這種現(xiàn)象稱為溶液表面吸附。根據(jù)能量 最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時，表面層中溶質(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，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低。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)系遵守吉布斯 (Gibbs)吸附方程：C時(2) 一 IRT ide .丿T式中，r為溶質(zhì)在表層的吸附量，單位mol m，y為表面張力，e溶質(zhì)的濃度屛W v 0，則r >o,此時表面層溶質(zhì)濃度大于本體溶液，稱為正吸附。引起溶劑表面張力顯著&

4、lt;de人I<de A降低的物質(zhì)叫表面活性劑。>o，則r vo,此時表面層溶質(zhì)濃度小于本體溶液，稱為負(fù)吸附通過實驗測得表面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系，作岀y C曲線，并在此曲線上任取若干點(diǎn)作曲線的切線,這些切線的斜率就是與其相應(yīng)濃度的將此值代入(2)式便可求出在此濃度時的溶質(zhì)吸附量吉布斯吸附等溫式應(yīng)用范圍很廣，但上述形式僅適用于稀溶液。2最大泡壓法測表面張力原理測定溶液的表面張力有多種方法，較為常用的有最大泡壓法其測量方法基本原理可參見圖2圖2最大拋壓法測液體表面張力裝置圖中B是管端為毛細(xì)管的玻璃管，與液面相切。毛細(xì)管中大氣壓為poo試管A中氣壓為p,當(dāng)打開活塞E時，C中的水流出，體系

5、壓力 p逐漸減小，逐漸把毛細(xì)管液面壓至管口，形成氣泡。在形成氣泡的過 程中，液面半徑經(jīng)歷：大T小T大，即中間有一極小值毛，此時氣泡的曲率半徑最小，根據(jù)拉普拉斯公式，氣泡承受的壓力差也最大，有公式：此壓力差可由壓力計 D讀岀，故待測液的表面張力為二 r ：-p/2(4)若用同一支毛細(xì)管測兩種不同液體，其表面張力分別為 Y 1、Y 2，壓力計測得壓力差分別為 pi、 P2則：1 / 2 Ypi / 邛2(5)若其中一種液體的 Y i已知，例如水，則另一種液體的表面張力可由上式求得。即：丫2 =i/Api “P2 = K 必卩2(6)式中K 二i/洱 稱為儀器常數(shù)，可用某種已知表面張力的液體(常用蒸

6、餾水)測得。三儀器與試劑：最大泡壓法表面張力儀，精密數(shù)字壓力計，吸耳球，移液管(各種量程)，容量瓶(50mL)，正丁醇(分析純)，蒸餾水。四實驗步驟:1 儀器準(zhǔn)備與檢漏將潔凈的表面張力儀各部分連接好。將自來水注入抽氣管C中；在試管A中注入約50mL蒸餾水，使毛細(xì)管下端較深地浸入到水中；打開活塞E,這時抽氣管C中水流岀，使體系內(nèi)的壓力降低（注意：勿降低到使毛細(xì)管口冒泡），當(dāng)壓力計指示出若干壓力差時，關(guān)閉活塞E,停止抽氣。若2min3min內(nèi)，壓力計指示壓力差不變，則說明體系不漏氣，可以進(jìn)行實驗。2 儀器常數(shù)K的測量調(diào)節(jié)毛細(xì)管或液面高度，使毛細(xì)管口與水面相切。打開活塞E抽氣，調(diào)節(jié)抽氣速度，使氣泡由

7、毛細(xì)管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間為為6s10s。若形成時間太短，則吸附平衡來不及在氣泡表面建立起來，測得的表面張力也不能反映該濃度之真正的表面張力值。在形成氣泡的過程中，液面半徑經(jīng)歷：大-小-大，同時壓力差計指示值的絕對值則經(jīng)歷：小-大-小的過程，記錄下絕對值最大的壓力差，三 次，取其平均值。再由附錄中，查岀實驗溫度時水的表面張力y 1，則可以計算儀器常數(shù)3 系列濃度正丁醇水溶液表面張力的測定配制50mL濃度為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mol L-1的系列正丁醇溶液，與測儀器常數(shù) 相同的方法，按由稀到濃的順序測定各溶液最大壓力差，求岀各溶液的表面張力

8、y。測定管每次應(yīng)用待測液淌洗一次。五數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)記錄參考格式如下表（計算時注意單位換算）溫度：24.6 °C水的表面張力：0.07191 N/m儀器常數(shù)K: 0.1177溶液濃度-1/mol L壓力差 p/kPa-1Y /N m（d 丫 /de） tr /mol m2123平均值00.6110.6100.6110.6110.07191-0.1917000.050.5200.5220.5220.5210.06132-0.162433.28 X 10-60.100.4790.4790.4780.4790.05638-0.13316-65.38 X 100.150.4120.4110.4

9、120.4120.04849-0.103896.30 X 10-60.200.3820.3840.3820.3830.04508-0.074626.03 X 10-60.250.3520.3520.3510.3520.04143-0.045354.58 X 10-60.300.3430.3420.3420.3420.04025-0.016081.95 X 10-61 查岀實驗溫度下水的表面張力，計算儀器常數(shù)KoK =1/）P1 Y C等溫線。2.計算系列正丁醇溶液的表面張力，根據(jù)上述計算結(jié)果，繪制溶液表面張力與正丁醇濃度的關(guān)系圖力 張 面 表 液 溶*系列1多項式(系列1)正丁醇濃度/(mol

10、/L)3由丫 一c等溫線作不同濃度的切線，求 (d y /de) t,并求出r，繪制r c吸附等溫線。溶質(zhì)的吸附量與溶液表面張力的關(guān)系圖76543210D2vrloob -O- XK 卓里 附 吸+系列10.10.20.3溶液濃度/(mol/L)0.40.5六. 注意事項：1 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。2.讀取壓力計的壓差時，應(yīng)取氣泡單個逸岀時的最大壓力差。七. 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？如果毛細(xì)管端口插入液面有一定深度，對實驗數(shù)據(jù)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)會有一段水柱，產(chǎn)生壓力P/,則測定管中的壓力Pr會變

11、小， pmax會變大，測量結(jié)果偏大。2最大泡壓法測定表面張力時為什么要讀最大壓力差？如果氣泡逸岀的很快，或幾個氣泡一齊岀，對實驗結(jié)果有無影響？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，表面幾乎是平的，這時曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等，曲率半徑達(dá)最小值，根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式，此時能承受的壓力差為最大： pmax = p0 - pr=2 b/丫。氣泡進(jìn)一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸岀。最大壓力差可通過數(shù)字式微壓差 測量儀得到。如氣泡逸岀速度速度太快， 氣泡的形成與逸岀速度快而不穩(wěn)定；致使壓力計的讀數(shù)不穩(wěn)定，不易觀察岀其最高點(diǎn)而起到較大的誤差。3本實驗為