最大氣泡法測表面張力實驗報告

1、最大氣泡法測定溶液的表面張力【實驗?zāi)康摹?掌握最大泡壓法測定表面張力的原理，了解影響表面張力測定的因素。2、了解彎曲液面下產(chǎn)生附加壓力的本質(zhì)，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等溫式，了解蘭格繆爾單 分子層吸附公式的應(yīng)用。3、測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計算飽和吸附量，由表面張力的實驗數(shù)據(jù)求正丁醉分子的截面積及吸附層的厚度。【實驗原理】1表面張力的產(chǎn)生純液體和其蒸氣組成的體系體相分子：自由移動不消耗功。表面分子：液體有自動收縮表面而呈球形的趨勢。要使液體表面積增大就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功以增加分子位能。所以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。W= | A如果 A為

2、1m；貝卜W'=b是在恒溫恒壓下形成1而新表面所需的可逆功，所以b稱 為比表面 吉布斯自由能，其單位為J m-2o也可將b看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，稱為表面張力，其單位是N - m-1o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。2、彎曲液面下的附加壓力(1)在任何兩相界面處都存在表面張力。表面張力的方向是與界面相切，垂直作用于某一一邊界， 方向指向使表面積縮小的一側(cè)。(2)液體的表面張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，表面張力愈小。到達(dá)臨界溫度時，液體與氣體不分， 表面張力趨近于零。(3)液體的表面張力與液體的純度有關(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

3、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。(4)由于表面張力的存在，產(chǎn)生很多特殊界面現(xiàn)象。3、毛細(xì)現(xiàn)象(1)由于表面張力的作用，彎曲表面下的液體或氣體與在平面下情況不同，前者受到附加的壓力。(2)如果液面是水平的，則表面張力也是水平的，平衡時，沿周界的表面張力互相抵消，此時液體表面內(nèi)外壓力相等，且等于表面上的外壓力POo（3 ）若液面是彎曲的，平衡時表面張力將產(chǎn)生一合力 Ps,而使彎曲液面下的液體所受實際 壓力與Po不同。（4）當(dāng)液面為凹形時，合力指向液體外部，液面下的液體受到的實際壓力為P' = Po -PSo（5）當(dāng)液面為凸形時，合力指向液體內(nèi)部，液面下的液體受到的

4、實際壓力為P'=P。+PSo（6） 這一合力Ps,即為彎曲表面受到的附加壓力，附加壓力的方向總是指向曲率中心。（7）附加壓力與表面張力的關(guān)系用拉普拉斯方程表示：Ps=2 er / R式中b為表面張力，R為彎曲表面的曲率半徑，該公式是拉普拉斯方程的特殊式，適用于當(dāng)彎曲表面剛好為半球形的情況。4、最大泡壓法測定溶液的表面張力毛細(xì)現(xiàn)象則是彎曲液面下具有附加壓力的直接結(jié)果。假設(shè)溶液在毛細(xì)管表面完全潤濕，且液面為半球形，則由拉普拉斯方程以及毛細(xì)管中升高（或降低）的液柱高度所產(chǎn)生的壓力P= g h,通過測量液柱高度即可求出液體的表面張力。這就是毛細(xì)管上升法測定溶液表面張力的原 理。此方法要求管壁能

5、被液體完全潤濕，且液面呈半球形。5、溶液中的表面吸附（1）實際上，最大泡壓法測定溶液的表面張力是毛細(xì)管上升法的一個逆過程。將待測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，由于毛細(xì)現(xiàn)象液面即沿毛細(xì)管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，系統(tǒng)減壓，毛細(xì)管內(nèi)液面上受到一個比表面張力儀瓶中液 面上（即 系統(tǒng)）大的壓力，當(dāng)此壓力差一一附加壓力（ p=p大氣一 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)管口液體的表面張力時，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)系式為拉普拉斯公式：P=2 e / R（2）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)

6、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)上式這時附加壓力達(dá)最大值，氣泡進(jìn)一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。根據(jù)上式，R二r時的最大附加壓力為：n _ Tg hP最大二一或 2 P最大最大（3）對于同一套表面張力儀，毛細(xì)膏半徑 r,測壓液體密度、重力加速度都為定值，因此為 了數(shù)據(jù)處理方便，將上述因子放在一起，用儀器常數(shù)K來表示，上式簡化為：K h 最大式中的儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測得，通常用純水來標(biāo)定。6、溶液中的表面吸附-吸附現(xiàn)象的發(fā)生在定溫下純液體

7、的表面張力為定值，只能依靠縮小表面積來降低自身的能量。通常見到小露珠 為球形，為什么？而對于溶液，既可以改變其表面張力，也可以減小其面積來降低溶液表面的能量。通常以降低溶液表面張力的方法來降低溶液表面的能量。當(dāng)加入某種溶質(zhì)形成溶液時，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，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，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)系遵守吉布斯（Gibbs）吸附方程

8、：二工()TRT dC式中，r為溶質(zhì)在表層的吸附量； b為表面張力；C為吸附達(dá)到平衡時溶質(zhì)在溶液中的濃度。 G > 0,正吸附，溶液表面張力降低：表面活性物質(zhì)。 G< 0,負(fù)吸附，溶液表面張力升高：非 表面活性物質(zhì)濃度達(dá)一定值，溶液界面形成飽和單分子層吸附7、吸附量的計算（1）、當(dāng)界面上被吸附分子的濃度增大時，它的排列方式在改變著，最后，當(dāng)濃度足夠大時，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層。這樣的吸附層是單分子層，隨著表面活性物質(zhì)的分子在界面上愈益緊密排列，則此界面的表面張力也就逐漸減小。（2）、以表面張力對濃度作圖，可得到b -C曲線。開始時b隨濃度增加而迅速下降，以后

9、 的變化比較緩慢。在b -C曲線上任選一點a作切線，得到在該濃度點的斜率經(jīng)，代入吉布斯吸附等 溫式，得到該濃度時的表面超量（吸附量），同理，可以得到其它濃度下對應(yīng)的表面吸附量，以不同的濃度對其相應(yīng)的r可作出曲線，r =f （C）稱為吸附等溫線。因益咄表而張力右鑼度點系8、被吸附分子截面積計算（1）、飽和吸附量1：對于正丁醇的吸附等溫線，滿足隨濃度增加，吸附量開始顯著增加，到 一定濃度時，吸附量達(dá)到飽和，因此可以從吸附等溫線得到正丁醇的飽和吸附量一。（2）、也可以假定正丁醉在水溶液表面滿足單分子層吸附。根據(jù)朗格謬爾（Langmuir）公=kC=1 kC不為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時

10、的r,C = kC+1 = C度：1/rso被吸附分子的截面積:以c/ r對F作圖，得一直線，該直線的斜率為 gN） （ N為阿佛加得羅常數(shù)）。吸附層厚溶質(zhì)的密度P,分子量M 三、儀器與試劑最大泡壓法表面張力儀1套;吸耳球1個；移液管（50mL , 1支、1mL , 1支兀燒杯（500mL , 1 只）； 溫度計1支。正丁醇（A.R.）；蒸馀水。四、實驗步驟(1)儀器準(zhǔn)備與檢漏將表面張力儀容器和毛細(xì)管洗凈、烘干。在恒溫條件下將一定量蒸儲水注入表面張力儀 中，調(diào)節(jié)液面，使毛細(xì)管口恰好與液面相切。打開抽氣瓶活塞，使體系內(nèi)的壓力降低，當(dāng)U型管測壓計兩端液面出現(xiàn)一定高度差時，關(guān)閉抽氣瓶活塞，若2s3m

11、in內(nèi)，壓差計的壓差不變，則說明體系不漏氣，可以進(jìn)行實驗。 (2 )儀器常數(shù)的測量 打開抽氣瓶活塞，調(diào)節(jié)抽氣速度，使氣泡由毛細(xì)管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間約為510 so當(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓差計顯示最大壓差時，記錄最大壓力差，連續(xù)讀取三 次，取其平均值。再由手冊中，查出實驗溫度時，水的表面張力廠則儀器常數(shù)(3)表面張力隨溶液濃度變化的測定用移液管分別移取 0. 0500mL, 0. 150mL, 0. 300mL , 0. 600mL , 0. 900mL , 1. 50mL, 2. 50mL , 3. 50mL, 4. 50mL正丁醇，移入9個50mL的容量瓶，配制成一定濃

12、度的正丁醇溶液。然后 由稀到濃依次移取一定量的正丁醇溶液，按照步驟2所述，置于表面張力儀中測定某濃度下正丁醇溶液的表面張力。隨著正丁醇濃度的增加，測得的表面張力幾乎不再隨濃度發(fā)生變化。五、數(shù)據(jù)記錄與處理 計算儀器常數(shù)K和不同濃度正丁醇溶液的表面張力廠 繪制b -C等溫線。溫度 t=25. 5 C h 最大=0. 0695m b 水=71. 82 X 10-3N/mK= b 水十 h 最大二(71. 82 X 10-3+ 0. 0695) N/m2=l. 0334 X 10-2 N/m2正丁醇的密度p =0. 8097g/mL,相對分子質(zhì)量M=74. 12g/mol由b二K XA h最大和c=p

13、 V/ (50 X 10-3l?M )進(jìn)行計算：利用儀器常數(shù)K可計算不同濃度正丁醇溶液的表面張力為：V/mL(mol/L)A hl (cm)A h2(cm)A h3 (cm)A h平均值(cm)0. 0500.01096. 856. 806. 846. 830. 1500. 03286. 496. 506. 456. 480. 3000. 06575. 755. 705. 725. 720. 6000. 13115.085. 105. 155. 110. 9000. 19674. 504. 604. 554. 551. 5000. 32784. 033. 963. 993. 992. 5000

14、. 54643.903. 803. 833. 843. 5000. 76503.433. 443.403.424. 5000. 98353.063. 003.033. 03V/mL0. 0500. 1500. 3000. 6000. 9001. 502. 503. 504. 50C/( 10-2 mol/L )1.0923. 2776. 55513. 1119. 6632. 7754. 6276. 4798. 32d /(10-2 N/m)7. 0586. 6965. 9145. 2804. 7024. 1263. 8743. 5373. 131圖3 d -c等溫線圖根據(jù)吉布斯吸附等溫式，求出

15、r, c/ ro 根據(jù)公式C/10-21.0923.2776. 55513. 1119. 6632. 7754. 6276. 4798. 32r /10-60. 72792. 66604. 42434. 88435. 23423. 36322. 96465. 92267. 3655c/ r150021229214816268413756197437184239129115133488So和吸附單繪制r -c, c/ r -c等溫線，求飽和吸附量并計算正丁醇分子截面積分 子層厚度d。圖4 r -c等溫線圖5 c/ r -c等溫線由圖5的r /C C等溫線可得直線斜率k=157110. 82303

16、 ,故飽和吸附量r s =6. 3649 x 10-6mol ?m-2被吸附分的子截面積 So=l/ ( r Na)=1/6. 3649 x 10'6mol?m'2x 6. 02 x 1023mor1)=2. 61 x 1019m2 這與文獻(xiàn)值0.274-0.289口而較為接近。,6吸附層厚度 d= r sM/ P =(6. 3649 x 10-6 x 74. 12)/(0.8097 x 10)=5. 83 x Iff1。m=0. 583nm 六、實驗討論本實驗是通過最大泡壓法測定溶液的表面張力。通過測定一系列不同濃度的正丁醇溶液形成穩(wěn) 定勻速的氣泡時的最大壓力差，求得正丁醇溶

17、液對應(yīng)的表面張力、飽和吸附量、被吸附分子的截 面積、吸附層厚度，測定結(jié)果是正吸附。(1 )在測定過程出現(xiàn)了以下幾種非正常狀況：1 .正丁醇溶液氣泡不單個勻速產(chǎn)生，而漏斗中水的滴速已經(jīng)盡可能調(diào)到了最小，毛細(xì)管已經(jīng)清洗潔凈，氣泡不單個勻速產(chǎn)生的原因可能是毛細(xì)管底端不平整或受損，但由于毛細(xì)管沒有備用的，所以測量時未更換新的毛細(xì)管。2 .正丁醉溶液氣泡產(chǎn)生速率過快，氣泡產(chǎn)生速率一般以8s 12個為宜，由于上述原因，氣泡 不單個勻速產(chǎn)生，而是每次積攢三四個氣泡連續(xù)冒出，這樣會造成測定壓力值偏大。3 .隨著濃度的增大，正丁醇越來越難以產(chǎn)生氣泡，可能的是因為正丁醇的粘度增大，所以產(chǎn)生氣泡 能力減小。從實驗結(jié)

18、果看，r -C等溫線圖擬合直線線性較差，其中正丁醉濃度為0.5464mol/L時的點偏離較大，產(chǎn)生這樣現(xiàn)象的原因可能是：系列待測溶液測定時產(chǎn)生氣泡速率不完全一致，而測定時 氣泡不是單個勻速產(chǎn)生，導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)。(2) 本實驗應(yīng)該注意的事項：1 .首先要保證裝置的氣密性，所以在玻璃裝置的某些接口處涂上凡士林。2 .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。3 .讀取壓力計的壓差時，應(yīng)取氣泡單個溢出時的最大壓力差。4 .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，而且會使氣泡不 能有規(guī)律地單個連續(xù)逸出。要么就是一個氣泡也沒有，要么就是兩個甚至更多個同時逸出，嚴(yán)重影 響測量的進(jìn)行。5 .毛細(xì)管插入溶液中的深度直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，這是因為溶液的靜壓力會增加對氣泡 壁的壓強(qiáng)，為了減少靜壓力的影響，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。6在實驗中，按濃度從小到大的順序測定，降低不同濃度溶液之間的影響。(3)本實驗評注與拓展：本實驗采用最大泡壓法測溶液表面張力，實驗中采用的是減壓法，由于實驗以正丁醇溶液為研究對象，容易因溶液蒸發(fā)而帶來誤差。因此有人對實驗提出了改進(jìn)，改為采用滴水加壓法，儀器結(jié)構(gòu)也較為簡單，并且減少了由于溶液揮發(fā)帶來的誤差。以下是其實驗裝置圖：E1最大泡壓范測走正丁醇水沼液表面張力示奩匱1.覆