物理化學試驗報告：最大泡壓法測定溶液的表面張力

1、最大泡壓法測定溶液的表面張力I、目的要求1、了解表面張力的性質(zhì)、表面自由能的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系。2、掌握用最大氣泡壓法測定表面張力的原理和技術(shù)。3、測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力，計算表面吸附量和乙醇分子的橫截面積。n、實驗原理1、表面自由能從熱力學觀點來看，液體表面縮小是一個自發(fā)過程，這是使體系總自由能減小的過程, 欲使液體產(chǎn)生新的表面AA,就需對其做功，其大小應與AA成正比： W,=aAA(1)它表示液體表面自動縮小趨勢的大小，。稱為比表面自由能，其量綱為Jm已因其量 綱乂可以寫成所以。還可稱為表面張力。其量值與溶液的成分、溶質(zhì)的濃度、溫 度及表面氣氛等因素有關(guān)。2、溶液的表面

2、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，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:(2)RT I de）7式中：廠為溶質(zhì)在氣一液界面上的吸附量（單位為T為熱力學溫度（K）； c為稀溶液濃度（molL-l）； R為摩爾氣體常數(shù)。當（4馬7 o稱為正吸附；當（學）o時，vo稱為負吸附。dede前者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力下降，此類物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)；后者表明加入溶

3、質(zhì)使液體表面張力升高，此類物質(zhì)叫非表面活性物質(zhì)。本實驗測定正吸附情況。3、飽和吸附量和溶質(zhì)分子的橫截面積在一定的溫度下，吸附量與濃度c之間的關(guān)系，可用Langmuu吸附等溫式表示件（3）1-hKc D /式中8為飽和吸附量，K為經(jīng)驗常數(shù)，其值與溶質(zhì)的表面活性大小有關(guān)。將上式兩邊取倒數(shù)，即可化成如下直線方程c1+Kc 1 cPATooAToc + Poo（4）以c/r對c作圖，得一直線，該直線的斜率為 o如果以N代表11/表面上溶質(zhì)的分子數(shù)，則有：其中：L為阿伏加德羅常數(shù)，由此可得每個溶質(zhì)分子在表面上所占據(jù)的橫截面積為:7V =廠乙4、表面張力的測定方法最大泡壓法1CT7?=當毛細管下端端面與被

4、測液體液面相切H彳液每沿毛細管上升。打開抽氣瓶（滴液漏 4）的活塞緩緩放水抽氣，此時測定管中的壓力P逐漸減小，毛細管中的大氣壓po就會 將管內(nèi)液面壓至管口，并形成氣泡。其曲率半徑恰好等于毛細管半徑時，根據(jù)拉普拉斯 （Laplace）公式，此時能承受的壓力差最大：2bAPmAX = Po Pr =r隨著放水抽氣，大氣壓力將把該氣泡壓出管口。曲率半徑再次增大，此時氣泡表面膜 所能承受的壓力差必然減少，而測定管中的壓力差卻在進一步加大，故立即導致氣泡的破 裂。最大壓力差可通過數(shù)字式微差測量儀得到。用同一個毛細管分別測定具有不同表面張力（。1和。2）的溶液時，可得下列關(guān)系A(chǔ)P.VMX 15 6 = 6

5、 X= K Atamx 1APmax,2（ 8 ）其中：K稱為毛細管常數(shù)，可用已知表面張力的物質(zhì)來確定。m、儀器試劑表面張力測定裝置恒溫水浴阿貝折光儀滴管燒杯（20ml）乙醇（分析純）IV、實驗操作步驟1、配置溶液：用稱重法粗略配制5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%的乙醇水溶液各50ml待用。2、調(diào)節(jié)恒溫水浴至25 （或30）。3、測定毛細管常數(shù)：將玻璃溶液認真洗滌干凈，在測試管中注入蒸鐳水，使管內(nèi)液面剛好與毛細管口相接觸， 至于恒溫水浴內(nèi)恒溫lOmiiio毛細管需垂直并注意液面位置，然后按圖接好測量系統(tǒng)。慢慢 打開抽氣瓶活塞，注意氣泡形成的速率應保持穩(wěn)

6、定，通?？刂圃诿糠昼?-12個氣泡為宜， 即數(shù)字微壓微壓差測量儀的讀數(shù)（瞬間最大壓差）約在7OO-8OOpa之間。讀數(shù)3次，取平均 值。4、測量乙醇溶液的表面張力按實驗步驟三分別測量不同濃度的乙醇溶液。從稀到濃依次進行。每次測量前必須用少量 被測溶液洗滌試管，尤其是毛細管部分，確保毛細管內(nèi)外溶液的濃度一致。5、分別測定乙醇溶液的折光率V、數(shù)據(jù)記錄與處理.數(shù)據(jù)記錄：項目微壓差Ap（kpa）折光率n水-0.7651.33255%乙醇-0.6631.335510%乙醇-0.5931.338015%乙醇-0.5391.340620%乙醇-0.5091.343525%乙醇-0.4781.346530%乙

7、醇-0.4521.349135%乙醇-0.4501.351640%乙醇-0.4221.3539.數(shù)據(jù)處理：（1）以純水的測量結(jié)果按方程計算K，值。解得 K，=ogpi=7L97*10-3N*m-i/（-0.765kpa）=0.094（2）根據(jù)所測折光率，由實驗提供的濃度-折光率工作曲線查出各溶液的濃度。項目折光率n濃度mol/L5%乙醇1.33550.89610%乙醇1.33801.70615%乙醇1.34062.44520%乙醇1.34353.21725%乙醇1.34654.10330%乙醇1.34914.81635%乙醇1.35165.47940%乙醇1.35396.365(3)分別計算各

8、種濃度溶液的。值壓力差AP/Kpa折光率溶液濃度表面張力a(do/dc)ic/r/mobnr5%乙醇-0.6631.33550.8960.0623-7.445632717310% 乙醇-0.5931.33801.7060.0557-6.311638595615% 乙醇-0.5391.34062.4450.0507-5.277046162620% 乙 醇-0.5091.34353.2170.0478-4.196258052625% 乙 醇-0.4781.34654.1030.0449-2.955882414330% 乙 醇-0.4521.34914.8160.0425-1.95761244382

9、35% 乙 醇-0.4501.35165.4790.0423-1.0294236642940% 乙 醇-0.4221.35396.3650.03970.2110-11545033(4)作。-c圖，并在曲線上取10個點，求得相應的斜率為(dWdc)TQ.07-1TTTTTTX溶液濃度/mollY=0.0007X2-0.0087X+0.0689R2=0.9918求導得Y=0.0014X-0.0087將(dHdc)T的值填入上表(5)根據(jù)方程求算各濃度的吸附量，作出c/-c圖，由直線斜率求取8,并計算。b值。Y=151011X+142371 直線斜率為 151011 貝：8=1/151011=6.6

10、2 E計算分子截面積：A= 1/6.62E-6 /6.02E23 = 2.51E-19 m2計算吸附層厚度:8 = Foo*M/p = 6.62E-6* 46.07/0.7852E6 = 3.88E4(m)VI、問題討論1、在測量中，如果抽氣速度過快，對測量結(jié)果有何影響？答：本實驗的關(guān)鍵在于控制抽氣速率，氣泡形成的速率應保持穩(wěn)定，若抽氣速率過快，氣 泡形成過快，使測量讀數(shù)偏高，影響測量結(jié)果。即氣泡逸出速度太快，氣泡的形成與 逸出速度快而不穩(wěn)定；致使壓力計的讀數(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溶液內(nèi)部進行測量行嗎？為什么？答：不行。如果那樣做就會在毛細管中產(chǎn)

11、生一段水柱，產(chǎn)生壓力，則測定管中的壓力就會 變大，使測量結(jié)果變大。即將毛細管末端插入到溶液內(nèi)部時，毛細管內(nèi)會有一段水柱, 產(chǎn)生壓力P,則測定管中的壓力Pi會變小，apmax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，則形成的氣泡基本上是球形的。當氣泡開始形成時，表面兒乎 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I相等，曲率半徑達最小值，根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式, 此時能承受的壓力差為最大：pmax = pO-pi = 2Hy。氣泡進一步長大，R變大，附加 壓力則變小，直到氣泡逸出。最大壓力差可通