最大氣泡法測表面張力

1、液體的外表張力的一些影響因素：液體的外表張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，外表張力愈小。到達臨 界溫度時，液體與氣體不分，外表張力趨近于零。 液體的外表張力與液體的純度有關(guān)。在純潔的液體溶劑中如 果摻進雜質(zhì)溶質(zhì)，外表張力就要發(fā)生變化，其變化的大小決定 于溶質(zhì)的本性和參加量的多少。附加壓力與外表張力的關(guān)系用拉普拉斯方程表示： 外表張力的公式式中。為外表張力，R為彎曲外表的曲率半徑，該公式是拉普拉斯方程的特殊式，適用于當彎曲外表剛好為半球形的情況。 毛細現(xiàn)象：毛細現(xiàn)象那么是彎曲液面下具有附加壓力的直接結(jié)果。假設(shè)溶液 在毛細管外表完全潤濕，且液面為半球形，那么由拉普拉斯方程 以及毛細管中升高或降低的液柱高度

2、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外表張力。 這就是毛細管上升法測定溶液外表張力的原理。 此方法要求管壁能被液體完全潤濕，且液面呈半球形。實際上，最大泡壓法測定溶液的外表張力是毛細管上升法的一個 逆過程。其裝置圖如下列圖，將待測外表張力的液體裝于外表張力 儀中，使毛細管的端面與液面 相切 ，由于毛細現(xiàn)象液面即沿毛細 管上升，翻開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，系統(tǒng)減壓，毛細管內(nèi)液面 上受到一個比外表張力儀瓶中液面上即系統(tǒng)大的壓力，當此壓力差 附加壓力 p = p大氣一 p系統(tǒng)在毛細管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細管口液體的外表張力時，氣泡就從毛細 管口脫出，此附加壓力與外表張力成

3、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：,匚C. .7,在定溫下純液體的外表張力為定值，只能依靠縮小外表積來降低 自身的能量。而對于溶液，既可以改變其外表張力，也可以減小 其面積來降低溶液外表的能量。通常以降低溶液外表張力的方法來降低溶液外表的能量外表張力與濃度的關(guān)系:以外表張力對濃度作圖，可得到(T-C曲線。開始時彷隨濃度增加而 迅速下降，以后的變化比擬緩慢。在(T-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 外表超量吸附量，同理，可以得到其他濃度下對應的外表吸附量， 以不同的濃度對其相應的r可作出曲線，r = fC)稱為吸附等溫

4、圖17-6外表張力和濃度關(guān)系儀器常數(shù)的測量:翻開抽氣瓶活塞，調(diào)節(jié)抽氣速度，使氣泡由毛細管尖端成單泡逸 出，且每個氣泡形成的時間約為 510 s。當氣泡剛脫離管端的 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，水的外表張力那么儀器常數(shù)水h最大我們也可以這樣，通過得到儀器常數(shù)，測量其他介質(zhì)的外表張力。由手冊查出或由下式計算出純水在實驗溫度下的°,求出儀器常數(shù)kIn °t (N m1) = x 10 1t X10 6 t2 (t = 0 40°C)附錄：不同溫度下水的外表張力t/c103X(T /(N-1 m)t

5、/ c103Xt/(N m1)t/ c103X t /(N m1)t/ c103Xt /(N m-1)017266051827701019288011202990122130100132235110142340120152445130162550摘自：John A Dean. Lange ' s Handbook of Chemistry. New York:McGraw-Hill Book Compa ny In c, 1973. 10265【考前須知】1. 儀器系統(tǒng)不能漏氣。2. 所用毛細管必須干凈、枯燥，應保持垂直，其管口剛好與液面相切3. 讀取壓力計的壓差時，應取氣泡單個逸出時

6、的最大壓力差。最大氣泡法測外表張力的優(yōu)缺點：最大氣泡法具有裝置簡單、操作容易、測定迅速等優(yōu)點，但其最大缺 點是測量精度不夠理想，是一個動態(tài)的測定方法。不過，最大氣泡法已被成功應用于一些 粘度較大的液體、熔鹽等體系 的外表張力的測 定。這是其它方法不能代替的。實驗評注與拓展 : 本實驗成功的關(guān)鍵： 儀器系統(tǒng)不能漏氣； 所用毛細管必須干凈、 枯燥， 應保持垂直，其管口剛好與液面相切；讀取壓差計的壓差時，應取氣 泡單個逸出時的最大壓力差；氣泡逸出速度不能過快。常見問題的討論 :1在測量中，如果抽氣速率過快，對測量結(jié)果有何影響？ 答：假設(shè)抽氣速度太快，氣泡的形成與逸出速度快而不穩(wěn)定；亦使 U 型壓力計

7、中的酒精所處的位置相對不穩(wěn)定， 來回速度跳動， 致使讀數(shù) 不穩(wěn)定，不易觀察出其最高點而起到 較大的誤差 。2如果將毛細管末端插入到溶液內(nèi)部進行測量行嗎？為什么？ 答：不行。如果將毛細管末端插入到溶液內(nèi)部，毛細管內(nèi)會有一段水 柱，產(chǎn)生壓力p/,那么測定管中的壓力Pr會變小， pmax會變大， 測量結(jié)果 偏大。3. 本實驗中為什么要讀取最大壓力差？答：如果毛細管半徑很小， 那么形成的氣泡根本上是球形的。當氣泡開 始形成時，外表幾乎是平的，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 和毛細管半徑 r 相等，曲率半徑達最小值，根據(jù)拉普拉斯 (Laplac

8、e) 公式，此時能 承受的壓力差為最大： pmax = p0 - pr = 2 (T/ 丫。氣泡進一步長 大，R變大，附加壓力那么變小，直到氣泡逸出。最大壓力差可通過數(shù) 字式微壓差測量儀得到。4. 外表張力儀的清潔與否和溫度的不恒定對測量數(shù)據(jù)在何影響 答：假設(shè)玻璃器皿不清潔和溫度的不恒定， 那么氣泡將會不能連續(xù)穩(wěn)定 地流過，而使壓差計 讀數(shù)不穩(wěn)定。溫度對G和折射率都有較大的 影響。雖然質(zhì)量百分濃度與溫度無關(guān)，但由于折射率隨溫度的波動， 假設(shè)溫度不恒定，故難得出未知溶液的準確濃度。5. 溫度和壓力的變化對測定結(jié)果有何影響？答：溫度愈高，外表張力愈小，到達臨界溫度時，液體與氣體不分， 外表張力趨近

9、于零。 最大泡壓法測定時， 系統(tǒng)與外界大氣的壓力差愈 大，外表張力就越大。但是我們在測量時，開始時已經(jīng)是系統(tǒng)與大氣 的壓力相同了調(diào)零 ，所以此時大氣的壓力已經(jīng)不再是影響外表張 力的因素了。測定外表張力有很多種方法，如前述毛細管上升法，最大氣泡法，還 有滴重法、吊環(huán)法等。吊環(huán)法測外表張力： 吊環(huán)法是將吊環(huán)浸入溶液中， 然后緩緩將吊環(huán)拉出 溶液，在快要離開溶液外表時，溶液在吊環(huán)的金屬環(huán)上形成一層薄膜， 隨著吊環(huán)被拉出液面，溶液的外表張力將阻止吊環(huán)被拉出， 當液膜破裂 時，吊環(huán)的拉力將到達最大值。自動界面張力儀將記錄這個最大值 P。 按照公式校正后，可以得出溶液的外表張力數(shù)值 Y校正因子：21/2式

10、中P:界面張力儀顯示讀數(shù)值mNm-1C:鉑絲環(huán)周長cm R:鉑絲環(huán)半徑c D:溶液的密度g mL-1 r:鉑絲的半徑cm常用外表張力系數(shù)測量方法：液膜拉脫法、毛細管液面升高法、平板法、最大泡壓法、滴重法應用領(lǐng)域解釋涉及液體外表的許多現(xiàn)象：如毛細現(xiàn)象、泡沫形成、噴液成霧在許多工程技術(shù)上都需要對外表張力進行研究和測量：如結(jié)晶、焊接、鑄造、浮選、土壤保水滴重法1。鉑金板法：通過當感測浸入到被測液體后，白金板周圍就會受到 外表張力的作用，液體的外表張力會將白金板盡量往下拉。 當液體外 表張力及其他相關(guān)的力與平衡力均衡時，感測白金板就會停止向液體 內(nèi)部浸入。這時候儀器的平衡感應器就會測量浸入深度， 并將

11、它轉(zhuǎn)化 為液體的外表張力。2。鉑多環(huán)法：由于被廣泛應用于 du Nouy 外表張力儀，這種方法又 被稱為 du Nouy 法。并因之操作簡便而被廣泛使用， 白金環(huán)法這個稱 法是因測試局部與液體樣品間會形成一個環(huán)形液柱而得的。 環(huán)法優(yōu) 點是速度快，需要樣品量少。尤其當研究外表張力快速變化的溶液， 只有環(huán)法能得到滿意結(jié)果。 【實驗原理】1. 外表張力在液體內(nèi)部， 任一分子受四周分子的吸引力是平衡的， 但液體外 表層的分子卻要受到向內(nèi)的拉力， 因此要使液體的外表積增大， 就必 須對抗分子向內(nèi)的拉力而作功， 說明了 分子在外表層內(nèi)比在液體內(nèi)部 有較大的勢能， 這勢能就是外表自由能。 在恒溫、 恒壓及組

12、成不變的 條件下，使外表積可逆地增加dA,體系自由能的增量dG應等于環(huán)境 對體系所做的外表功 S w即dG= S w'=c dA 1式中。為比例常數(shù)，其物理意義是 在恒溫恒壓組成不變的條件 下，增加單位外表積時引起體系自由能的增加值，因此c稱為比外表 自由能，其量綱為Jm2。因其量綱又可以寫成N. m 1,所以。還可 稱為外表張力, 其物理意義是沿著與外表相切的方向, 垂直作用于外 表單位長度上的力。 外表張力是液體的重要特性之一, 它與所處的溫 度、壓力、濃度以及共存的另一相的組成有關(guān)。2. 溶液的外表吸附純液體外表層的組成與內(nèi)部組成相同, 因此液體只能通過盡可能 地縮小其外表以降低

13、體系的外表自由能。 對于溶液, 由于溶質(zhì)能引起 溶劑外表張力的變化， 因此可通過調(diào)節(jié)溶質(zhì)在外表層的濃度來降低外 表能。假設(shè)溶質(zhì)能降低溶劑的外表張力時， 那么外表層中溶質(zhì)的濃度大 于溶液內(nèi)部溶質(zhì)的濃度； 反之，如果溶質(zhì)能使溶劑的外表張力升高， ， 那么外表層中溶質(zhì)的濃度小于溶液內(nèi)部溶質(zhì)的濃度。 這種外表濃度與溶 液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的外表吸附。 在一定的溫度和壓力 下，吉布斯用熱力學的方法推導出了溶液外表吸附量與溶液的外表張 力和溶液濃度之間的關(guān)系，即2式中r為外表超量mol m2，為溶液的外表張力J m2，T為熱力學溫度K，c為溶液的濃度mol dm3，R為氣體常數(shù)。如果參加溶質(zhì)使液體

14、外表張力降低，即 v0,那么r >0,此時溶液 外表層的濃度大于溶液內(nèi)部的濃度， 稱為正吸附， 此類物質(zhì)稱為外表 活性物質(zhì)。如果參加溶質(zhì)使液體外表張力升高，即>0,那么r <0,此時溶液外表層的濃度小于溶液內(nèi)部的濃度， 稱為負吸附， 此類物質(zhì)稱 為非外表活性物質(zhì)。由吉布斯吸附等溫式可看出, 只要測得某溫度下不同濃度溶液 的外表張力，以。c作圖，在。c的曲線上作不同濃度下的切線， 可獲得不同濃度所對應的斜率 ,將斜率代入 2式中,即可求出不 同濃度時氣一液界面上的吸附量r。如圖是最大氣泡法測定外表張力的裝置示意圖。待測液體置于支管試管中， 使毛細管端面與液面相切，液面隨毛細管上

15、升。翻開滴液漏斗緩慢抽氣。此時, 由于毛細管液面所受壓力大于支管試管液面所受壓力，毛細管液面不斷下降，將 從毛細管緩慢析出氣泡。在氣泡形成的過程中，由于外表張力的作用，凹液面產(chǎn) 生一個扌呂向液面外的附加壓力AP,因此有以下關(guān)系：卩P X*. = P 農(nóng)F. +AP *附加壓力與外表張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反匕2假設(shè)毛細管管徑較不，那么形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時，由于外表 幾乎是平的，所以曲率半徑R極大；當氣泡形成半球形時，曲率半徑R等于毛細 管半徑I，此時R值最小。隨著氣泡的逬一步増大，R又趨増大，直至逸岀液面。 R"吋，附加壓力最大：2 o最大附加壓力由數(shù)字微壓差計或U型