最大泡壓法測(cè)定溶液表面張力

1、實(shí)驗(yàn)表面張力的測(cè)定最大氣泡法、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .掌握最大氣泡法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)。2.通過對(duì)不同濃度正丁醇溶液表面張力的測(cè)定,加深對(duì)表面張力、 表面自由能和表面吸附量關(guān)系的理解。3 .學(xué)習(xí)用Origin或Excel處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。二、實(shí)驗(yàn)原理在液體的內(nèi)部任何分子周圍的吸引力是平衡的?？墒窃谝后w表面層的分子卻不相同。因?yàn)楸砻鎸拥姆肿?，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，而且前者的作用要比后者大。因此在液體表面層中，每個(gè)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20 I所示）。這種吸引圖11.1分子間作用力示意圖力使表面上的分子向內(nèi)擠促成液體的最小面積。

2、要使液體的表面積增大就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功增加分子的位能。所以說分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大平方米所引起的表面自由能的變化值 G稱為單位表面的表面能其單位為J m -3。稱為表面張力，而把液體限制其表面及力圖使它收縮的單位直線長度上所作用的力, 其單位是Nm-1。液體單位表面的表面能和它的表面張力在數(shù)值上是相等的。欲使液體表面積增加 S時(shí)，所消耗的可逆功 A為:-A = G = (tzS樣品管滴液瓶壓力計(jì)通大氣玻璃管滴液瓶精密數(shù)字壓力計(jì)00樣品管 恒溫槽圖11.2最大氣泡法表面張力測(cè)定裝置液體的表面張力與溫度有關(guān)

3、，溫度愈高，表面張力愈小。到達(dá)臨界溫度時(shí)，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。液體的表面張力也與液體的純度有關(guān)。在純凈的液體（溶劑）中如果摻進(jìn)雜質(zhì)（溶質(zhì)），表面張力就要發(fā)生變化，其變化的大小決 定于溶質(zhì)的本性和加入量的多少。當(dāng)加入溶質(zhì)后，溶劑的表面張力要發(fā)生變化。把溶質(zhì)在表面層中與本體溶液中濃度不同的現(xiàn)象稱為溶液的表面吸附。使表面張力降低的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。用吉布斯公式（Gibbs）表示:e d_ RT de T(11-1 )式中：為表面吸附量（mol m-2）為表面張力（Jm-2 ）。 表示在一定溫de T度下表面張力隨濃度的改變率。即:de T0，r>0，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力，

4、溶液表面層的濃度大于內(nèi)部的濃度，稱為正吸附作用。pl0 ,r<o，溶質(zhì)能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度小于內(nèi)部的濃de T度，稱為負(fù)吸附作用。由此，測(cè)定溶液的濃度和表面張力，可以求得不同濃度下溶液的表面吸附量。如圖11-2是最大氣泡法測(cè)定表面張力的裝置示意。待測(cè)液體置于支管試管中，使毛細(xì)管端面與液面相切，液面隨毛細(xì)管上升。打開滴液漏斗緩慢抽氣。此時(shí)，由于毛細(xì)管液面所受壓力大于支管試管液面所受壓力，毛細(xì)管液面不斷下圖11.3氣泡形成過程降，將從毛細(xì)管緩慢析出氣泡。在氣泡形成的過程中，由于表面張力的作用，凹液面產(chǎn)生一個(gè)指向液面外的附加壓力 P,因此有以下關(guān)系:P大氣=P系統(tǒng)+ AP附加

5、壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反比。吸附量與濃度之間的關(guān)系可以用Lan gmuir等溫吸附方程式表示:若毛細(xì)管管徑較小，則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時(shí)，由于表面幾乎是平的，所以曲率半徑 R極大；當(dāng)氣泡形成半球形時(shí)，曲率半徑R等于毛細(xì)管半徑r，此時(shí)R值最小。隨著氣泡的進(jìn)一步增大，R又趨增大，直至逸出液面。R=r時(shí),附加壓力最大:(11-2)最大附加壓力由數(shù)字微壓差計(jì)或U型管壓差計(jì)讀出。用數(shù)字微壓差可以直接讀出壓差的值（Pa）,體系的導(dǎo)氣管接數(shù)字微壓差計(jì)的負(fù)壓口,正壓口與大氣相通。若用U型管壓差計(jì)，壓差則以 hm表示。下式中，P為工作介質(zhì)密度，g為重力加速度，則:Pmhm g在實(shí)

6、驗(yàn)中，使用同一支毛細(xì)管和壓差計(jì),g為常數(shù)（儀器常數(shù)），用K表2示，即:K hm(11-3)用已知表面張力的液體作為標(biāo)準(zhǔn)，可以測(cè)得儀器常數(shù)K，也可以測(cè)定其它求知液體的表面張力。(11-4)kc1 kc為飽和吸附量，k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。將上式整理得:(11-5)以C/ 對(duì)c作圖可得到一條直線，其斜率的倒數(shù)為Na如果以N代表1平方米表面層的分子數(shù)，則(11-6)式中Na為Avogadro 常數(shù)，則每個(gè)分子的截面積A為:1Na三、儀器和試劑恒溫槽裝置;數(shù)字微壓差計(jì)（或 U型管壓差計(jì)）滴液漏斗（250rnL ）1個(gè);支管試管（0 25 X20cm ）毛細(xì)管（0.20.3mm ） 1支;燒杯（250mL ）重蒸

7、餾水T形管1個(gè);正丁醇（AR）;四、實(shí)驗(yàn)步驟1 .儀器常數(shù)的測(cè)定:（1）仔細(xì)洗凈支管試管與毛細(xì)管，連接裝置。20 C)(2 )加入適量的重蒸餾水于支管試管中，毛細(xì)管端面與液面相切。恒溫(20分鐘。(3 )打開滴液漏斗緩慢抽氣，使氣泡從毛細(xì)管緩慢逸出，調(diào)節(jié)逸出氣泡每分鐘個(gè)左右。讀出壓差計(jì)最大高度差，讀3次，取平均值。2 .待測(cè)樣品表面張力的測(cè)定：配制從0.020.80moLL-1 系列(0.025, 0.05, 0.10,0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.40,0.60,0.80)的正丁醇溶液。(正丁醇P =0.8109 )可先配制0.80mol/L 的溶液，其它的濃度用稀釋的

8、辦法配制。3 .用待遇測(cè)溶液洗凈支管試管和毛細(xì)管后，方法同裝入待測(cè)樣品，測(cè)定氣泡緩慢逸出時(shí)的最大壓差。五、數(shù)據(jù)記錄與處理由于需要在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的曲線圖上作切線，求斜率，手工作圖將會(huì)有很大的 隨意性并帶來誤差，因此應(yīng)該用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。以下是手工處理數(shù)據(jù)的步驟:1 .計(jì)算儀器常數(shù)并計(jì)算溶液的表面張力。2 .以濃度C為橫坐標(biāo)，以b為縱坐標(biāo)作圖，橫坐標(biāo)從0開始，連成光滑曲線。3 .在曲線上取若干(0.03, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.30, 0.40, 0.60 )點(diǎn)，求其斜 率。圖11.4作圖求(d /dc)T示意圖dm dc T結(jié)果正確的關(guān)鍵在于曲線光滑和切線的確定。如

9、是手工處理，畫切線可采用鏡面反射法(圖11-4 )。4 .根據(jù)吉布斯方程求吸附量。5.表列出c、r、(d /dc)T、c/ r的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。6.以c/ r對(duì)c作圖，從直線的斜率求出r 并計(jì)算出正丁醇分子的截面積A六、注意事項(xiàng)1.測(cè)定時(shí)毛細(xì)管及支管試管應(yīng)洗滌干凈，否則氣泡不能連續(xù)形成， 而影響最大壓差 的測(cè)量。2 .測(cè)定時(shí)毛細(xì)管端剛好和溶液面相切。3 .若用U形壓力計(jì)，則應(yīng)選用酒精或水壓計(jì)。4 .控制好滴液漏斗的放液速度，以利于讀數(shù)的準(zhǔn)確性。5.數(shù)字微壓差儀的測(cè)壓接口在儀器后的面板上。使用時(shí)，先將儀器按要求連接在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上(注意實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不能漏氣)，再打開電源預(yù)熱 10min，即可進(jìn)行測(cè)量。儀器上顯

10、示的數(shù)字即為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與大氣壓之間的壓差值。七、思考題1 表面張力為什么必須在恒溫槽中進(jìn)行測(cè)定，溫度變化對(duì)表面張力有何影響，為什 么,2 .實(shí)驗(yàn)如用U型管壓差計(jì)，工作液應(yīng)選什么為宜?3 .用最大氣泡法測(cè)量表面張力時(shí)為什么要讀最大壓差?4 .滴液漏斗的放液速度對(duì)本實(shí)驗(yàn)有何影響?八、數(shù)據(jù)處理(1 )儀器常數(shù)與表面張力確定(2)擬合函數(shù)選擇本實(shí)驗(yàn)需要從表面張力與濃度的關(guān)系得出表面吸附量與濃度的關(guān)系，采用多項(xiàng) 式擬合出適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)關(guān)系，然后計(jì)算指定濃度的導(dǎo)數(shù)的值，使結(jié)果更具有客觀性, 同時(shí)學(xué)生對(duì)非線性擬合也有了更形象的了解。學(xué)生需根據(jù)擬合的結(jié)果，寫出擬合多項(xiàng)式。根據(jù)吉布斯吸附等溫式和擬合多項(xiàng)式，提供計(jì)算吸

11、附量的表達(dá)式。確定最大吸附量的數(shù)值，并需要提供計(jì)算溶質(zhì)分子截面積的計(jì)算式。九、進(jìn)一步考慮的問題般教科書都用上式來分析r c的關(guān)系，并將r-稱為飽和吸附量。但是，表面吸附量r的概念是一種表面超量（表面過剩），是指單位面積的表層中所含溶質(zhì)的量與 具有相同質(zhì)量溶劑的本體溶液中所含溶質(zhì)的量之差。因此從表面超量角度理解，當(dāng)濃度較低時(shí)，由于溶質(zhì)（具表面活性）優(yōu)先排布在溶液表面層，使r隨濃度增加而增加。當(dāng)濃度增大到一定值后，再增加溶質(zhì)濃度，必定使溶質(zhì)在表面層的濃度與在體相中 的濃度之差越來越小，直到濃度無限大時(shí)，這個(gè)差值為零。因此吸附量r達(dá)到極大值 后，會(huì)逐漸減少，直到r -= 0。顯然上式?jīng)]有體現(xiàn)這一特征。參考文獻(xiàn).p.32 (1964 )1. W . J. Popiel . Laboratory Manual of Pysical Chemistry 2