最大氣泡法測(cè)定表面張力

1、最大氣泡法測(cè)定液體的表面張力 (一)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握最大氣泡法測(cè)定液體的表面張力的原理和方法。2熟悉表面張力的意義和性質(zhì)，測(cè)定不同濃度液體的表面張力。3熟悉表面吸附的性質(zhì)及與表面張力的關(guān)系。(二)、實(shí)驗(yàn)原理溶劑中加入溶質(zhì)后，溶劑的表面張力要發(fā)生變化，加入表面活性物質(zhì)（能顯著降低溶劑表面張力的物質(zhì)）則它們?cè)诒砻鎸拥臐舛纫笥谠谌芤簝?nèi)部的濃度，加入非表面活性物質(zhì)則它們?cè)诒砻鎸拥臐舛缺热芤簝?nèi)部低。這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫溶液的吸附。顯然，在指定的溫度壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度有關(guān)。從熱力學(xué)可知，它們之間的關(guān)系遵守吉布斯吸附等溫方程： （71）式中：為溶質(zhì)在單位面積

2、表面層中的吸附量（mol·m2）； 為溶液的表面張力（N·m2）； c為溶液濃度（mol·m3）；氣體常數(shù)，8.314J·mol1·1；為絕對(duì)溫度（）。當(dāng)< 0時(shí)， > 0，即溶液的表面張力隨著溶液濃度的增加而下降時(shí)，吸附量為正值，稱為正吸附，反之，當(dāng)> 0時(shí)，< 0稱為負(fù)吸附。吉布斯吸附等溫方程式應(yīng)用范圍很廣，但上述形式只適用于稀溶液。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同濃度溶液的表面張力、即可求得吸附量。本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡壓力法測(cè)定正丁醇水溶液的表面張力值。試驗(yàn)裝置如圖（71）所示。 圖71 表面張力測(cè)定裝置1樣品管 2毛細(xì)管 3壓瓶4

3、精密數(shù)字壓力計(jì) 5大氣平衡管 6活塞圖72 氣泡曲率半徑的變化規(guī)律將欲測(cè)表面張力的溶液裝入樣品管中，使毛細(xì)管的端口與液面相切，液體即沿毛細(xì)管上升，打開(kāi)減壓瓶3的活塞6，使里面的水慢慢的滴出，則系統(tǒng)內(nèi)的壓力慢慢減小，毛細(xì)管2液面上受到一個(gè)比樣品管中液面上大的壓力，此時(shí)毛細(xì)管內(nèi)液面就會(huì)下降，直到在毛細(xì)管端面形成一個(gè)穩(wěn)定的氣泡。開(kāi)始時(shí)氣泡表面很平，曲率半徑很大，隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，形成半球時(shí)，氣泡的曲率半徑與毛細(xì)管的半徑相等，曲率半徑達(dá)最小值（如圖72）。氣泡進(jìn)一步長(zhǎng)大，曲率半徑又變大，直到氣泡從毛細(xì)管口脫出。曲率半徑最小時(shí)有最大的附加壓力，在壓力計(jì)上就有絕對(duì)值最大的讀數(shù)。此時(shí)氣泡的曲

4、率半徑就是毛細(xì)管的半徑?？梢?jiàn)毛細(xì)管口冒出氣泡所需要增加的壓力（）與液體的表面張力成正比。利用楊拉普拉斯公式有： 式中：曲率半徑最小時(shí)氣泡的最大附加壓力，單位為； 壓力計(jì)上絕對(duì)值最大的讀數(shù)，單位為mmH2O; 水的密度；單位為 kg·L1重力加速度；單位為 m·s2 表面張力； 氣泡的最小曲率半徑，同時(shí)也是毛細(xì)管的半徑。于是得到： （72）式中與毛細(xì)管的半徑有關(guān)，對(duì)同一支毛細(xì)管是常數(shù)，稱為儀器常數(shù)，可由已知表面張力的液體求得，例如已知水在實(shí)驗(yàn)溫度下的表面張力，測(cè)得最大壓力讀數(shù)，則，求出該毛細(xì)管的值，就可用它測(cè)定其他液體的表面張力了。 （73）式中為精密數(shù)字壓力計(jì)的最大讀數(shù)。由

5、實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同濃度時(shí)的表面張力，以濃度為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，得曲線如圖（73）所。當(dāng)溶液濃度較小時(shí)，隨的增大而迅速下降。溶液濃度繼 oc 圖73 表面張力及吸附等溫線 圖 74 c 關(guān)系圖 續(xù)增大，溶液的表面張力隨濃度的變化漸趨平緩。當(dāng)濃度增大到某一值后，溶液的表面張力幾乎不隨濃度增加而改變。為了求得在不同濃度下的吸附量，可以利用圖解法 進(jìn)行計(jì)算。如圖73所示，在曲線上取任意一點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)作曲線的切線和平行于橫軸的直線，分別交于縱軸。令，則 故 將上式代入（71）吉布斯吸附等溫方程，得到該濃度時(shí)的吸附量為： （74） 以不同的濃度對(duì)其相應(yīng)的作出曲線，稱為吸附等溫線，如圖73中曲線所示。 在一定的溫度

6、下，吸附量與溶液濃度間的關(guān)系可用Langmuir吸附等溫式表示： 或 （75）以對(duì)作圖，得一直線，如圖74所示。該直線的斜率為。為飽和吸附量，是溶液表面蓋滿一單分子層溶質(zhì)的量，其單位是mol·cm2。設(shè)1 cm2表面上被吸附的分子數(shù)為N，則有NNA；NA為阿伏伽德羅常數(shù)。由此可以計(jì)算出當(dāng)飽和吸附時(shí)，每個(gè)分子在表面上所占據(jù)的面積，此面積亦可看作是分子的截面積： (76)若已知溶液的密度，摩爾質(zhì)量M，就可以計(jì)算出吸附層厚度。 (77)(三)、儀器藥品 DP4W表面張力實(shí)驗(yàn)儀、DPA精密數(shù)字微壓計(jì)、電吹風(fēng)、小燒杯、量筒、滴管0.050；0.100；0.200；0.300；0.400；0.5

7、00；0.600mol·L1正丁醇溶液(四)、實(shí)驗(yàn)步驟1儀器準(zhǔn)備和檢漏 將表面張力儀的各個(gè)玻璃儀器和毛細(xì)管先用洗液，再用自來(lái)水和蒸餾水洗滌，烘干后按圖71安裝好。 將水注入減壓瓶中，然后用洗瓶將蒸餾水注入樣品管中，反復(fù)用滴管調(diào)節(jié)毛細(xì)管底端平面與液面的高度，使毛細(xì)管底端平面恰好與液面相切，并且樣品管與桌面垂直。打開(kāi)微壓計(jì)4的電源，并將儀器的單位設(shè)置為“mmH2O”，在裝置圖大氣平衡管5與大氣相通的情況下，按下微壓計(jì)的“采零”鈕，使儀器示數(shù)為“0”。夾緊5處的膠管，在開(kāi)啟活塞6，這時(shí)減壓瓶3中水面下降，使體系內(nèi)壓力降低（實(shí)際上等于對(duì)系統(tǒng)抽氣）。當(dāng)壓力計(jì)4有一定示數(shù)（至少為-30 mmH2

8、O以上）時(shí)，關(guān)閉活塞6，若兩三分鐘內(nèi)微壓計(jì)的示數(shù)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)的測(cè)定打開(kāi)活塞6，對(duì)體系減壓，調(diào)節(jié)水流速度，使氣泡由毛細(xì)管底端成單泡逸出（每分鐘約20個(gè)氣泡），記錄微壓計(jì)絕對(duì)值最大的讀數(shù)三次，取其平均值。再由附錄中查出實(shí)驗(yàn)溫度下水的表面張力，則儀器常數(shù)為： （78） 3正丁醇溶液表面張力的測(cè)定： 將樣品管中的蒸餾水全部倒出，用待測(cè)液將樣品管及毛細(xì)管仔細(xì)洗滌3次，在樣品管中裝入待測(cè)溶液，用上述方法測(cè)定濃度為0.050、0.100、0.200、0.300、0.400、0.500、0.600 mol·L1的正丁醇溶液的最大壓力差，每個(gè)樣品分別測(cè)定三次，取其平

9、均值。(五)、數(shù)據(jù)處理處理1. 數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)溫度 T= 24.7 水的表面張力=72.2×10-3N·m1；2.數(shù)據(jù)記錄及處理正丁醇C/ mol·L10.0500.1000.2000.3000.4000.5000.600h的平均值/mmH2O36.031.427.225.624.223.121.6表面張力/N·m10.06120.05340.04620.04240.04010.03850.0367-0.224 -0.097 -0.033 -0.016 -0.010 -0.006 -0.004 吸附量/10-6mol·m-24.523 10.39

10、4 19.734 25.34 26.652 27.056 27.103 c/109m-1（1）儀器常數(shù)K=72.2×10-3N·m1÷40.8 mmH2O0.0017 （2）按照計(jì)算 各濃度溶液的 列入上表中；（3）繪制曲線制曲線制曲線制曲線制曲線制曲線制曲線（4）由圖1求各濃度溶液的列入上表中；（5）按照 和c/計(jì)算 各濃度溶液的和c/列入上表中；（6）繪制c/c等溫線；（7）c/c等溫線的線性方程為：m(斜率)=0.02381/0.0238=×(六)、思考題1 溶液的表面為何必須得調(diào)至與毛細(xì)管端口相切？否則對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？答：毛細(xì)管插入溶液中的深度直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，如果將毛細(xì)管末端插入溶液內(nèi)部，毛細(xì)管內(nèi)將會(huì)有有一段水柱，產(chǎn)生壓力，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。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h接近0。2 氣泡逸出速度過(guò)快或不成單泡，對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？ 答：氣泡逸出速度過(guò)快或不成單泡，氣泡的形成與溢出速度而不穩(wěn)定，致使壓力計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定，不易出觀察其最高點(diǎn)而起到較大的誤差，使表面張力測(cè)定值偏高所以要求從毛細(xì)管中溢出的氣泡必須單泡溢出，有利于表面活性物質(zhì)在表面達(dá)到吸附平衡，并可減少氣體分子及氣