四川理工物化實(shí)驗(yàn)--最大泡壓法測(cè)定溶液表面張力

1、 實(shí)驗(yàn)十 最大泡壓法測(cè)定溶液表面張力報(bào)告人： 同組人： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間2010年05月29日一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1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(cè)定溶液表面張力的原理和技術(shù)；3掌握計(jì)算表面吸附量和吸附質(zhì)分子截面積的方法。二實(shí)驗(yàn)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(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(gè)自發(fā)過(guò)程。在溫度、壓力、組成恒定時(shí)，每增加單位表

2、面積，體系的吉布斯自由能的增值稱(chēng)為表面吉布斯自由能（J·m-2），用表示。也可以看作是垂直作用在單位長(zhǎng)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(duì)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 ： W =×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(shí)，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(kāi)始時(shí)降得快些；（3

3、）溶質(zhì)濃度低時(shí)表面張力就急劇下降，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(chēng)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(shí)，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(shí)，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： = （2）式中，為溶質(zhì)在表層的吸附量，單位mol·m2，為表面張力，c溶質(zhì)的濃度。 若0，則0，此時(shí)表面層溶質(zhì)濃度大于本體溶液，稱(chēng)為正吸附。引起溶劑表面張力顯著降低的物質(zhì)叫表面活性劑。若

4、0，則0，此時(shí)表面層溶質(zhì)濃度小于本體溶液，稱(chēng)為負(fù)吸附。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得表面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系，作出c 曲線(xiàn)，并在此曲線(xiàn)上任取若干點(diǎn)作曲線(xiàn)的切線(xiàn)，這些切線(xiàn)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(shí)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(cè)表面張力原理測(cè)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(cè)量方法基本原理可參見(jiàn)圖2。 圖2 最大拋壓法測(cè)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p0。試管A中氣壓為p，當(dāng)打開(kāi)活塞E時(shí)，C中的水流出，體系壓力p逐漸減小，逐漸把毛細(xì)管液面壓至管口，形成氣泡。在形

5、成氣泡的過(guò)程中，液面半徑經(jīng)歷：大小大，即中間有一極小值rminr毛，此時(shí)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(jì)D讀出，故待測(cè)液的表面張力為 （4）若用同一支毛細(xì)管測(cè)兩種不同液體，其表面張力分別為1、2，壓力計(jì)測(cè)得壓力差分別為p1、p2則： (5) 若其中一種液體的1已知，例如水，則另一種液體的表面張力可由上式求得。即： (6) 式中稱(chēng)為儀器常數(shù)，可用某種已知表面張力的液體（常用蒸餾水）測(cè)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(jì)，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(shí)驗(yàn)步驟： 1儀器準(zhǔn)備

6、與檢漏 將潔凈的表面張力儀各部分連接好。將自來(lái)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(kāi)活塞E，這時(shí)抽氣管C中水流出，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(jì)指示出若干壓力差時(shí)，關(guān)閉活塞E，停止抽氣。若2min3min內(nèi)，壓力計(jì)指示壓力差不變，則說(shuō)明體系不漏氣，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 2儀器常數(shù)K的測(cè)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(kāi)活塞E抽氣，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(gè)氣泡形成的時(shí)間為為6s10s。若形成時(shí)間太短，則吸附平衡來(lái)不及在氣泡表面建立起來(lái)，測(cè)得的表面張力也不能反映該濃度之真正的表面張力值

7、。在形成氣泡的過(guò)程中，液面半徑經(jīng)歷：大小大，同時(shí)壓力差計(jì)指示值的絕對(duì)值則經(jīng)歷：小大小的過(guò)程，記錄下絕對(duì)值最大的壓力差，共三次，取其平均值。再由附錄中，查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)水的表面張力1，則可以計(jì)算儀器常數(shù) 3系列濃度正丁醇水溶液表面張力的測(cè)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(cè)儀器常數(shù)相同的方法，按由稀到濃的順序測(cè)定各溶液最大壓力差，求出各溶液的表面張力。測(cè)定管每次應(yīng)用待測(cè)液淌洗一次。五數(shù)據(jù)處理： 數(shù)據(jù)記錄參考格式（計(jì)算時(shí)注意單位換算）溫度： 24 水的表面張力：0.07218N/m 儀器常數(shù)K：0.1104 溶

8、液濃度/mol·L-1壓力差p/kPa/N·m-1(d/dc)T/mol·m-2123平均值00.6530.6540.6550.6540.07220-0.1769000.050.5840.5860.5860.5850.06462-0.163553.31E-060.100.5170.5190.5160.5170.05711-0.150206.08E-060.150.4560.4570.4540.4560.05030-0.136858.31E-060.200.3730.3760.3740.3740.04132-0.123501.00E-050.250.3250.325

9、0.3270.3260.03595-0.110151.11E-050.300.2960.2980.2950.2960.03271-0.096801.18E-051查出實(shí)驗(yàn)溫度下水的表面張力，計(jì)算儀器常數(shù)K。2計(jì)算系列正丁醇溶液的表面張力，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制c等溫線(xiàn)。3由c等溫線(xiàn)作不同濃度的切線(xiàn)，求(d/dc)T，并求出，繪制c吸附等溫線(xiàn)。六注意事項(xiàng): 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(jì)的壓差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。3手動(dòng)做切線(xiàn)時(shí)，可用鏡面法。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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)

10、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(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最大泡壓法測(cè)定表面張力時(shí)為什么要讀最大壓力差？如果氣泡逸出的很快，或幾個(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(kāi)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相等，曲率半徑達(dá)最小值，根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式，此時(shí)能承受的壓力差為最大：pmax = p0 - pr = 2/。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。最大壓力差可通過(guò)數(shù)字式微壓差測(cè)量?jī)x得到。如氣泡逸出速度速度太快，氣泡的形成與逸出速度快而不穩(wěn)定；致使壓力計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定，不易觀察出其最高點(diǎn)而起到較大的誤