物化實驗報告表面張力的測定

1、一、實驗?zāi)康?、掌握最大氣泡法和滴重法測定表面活性物質(zhì)正丁醇的表面張力，并且利用Gibbs吸附公式和Langmuir吸附等溫式測定正丁醇分子的橫截面積。2、訓(xùn)練學(xué)生利用毛細管和數(shù)字式微壓測量儀以及滴重管測定表面張力的方法，并通過曲線及直線擬合處理得到不同數(shù)據(jù)。3、培養(yǎng)學(xué)生在實驗中嚴(yán)謹?shù)膶嶒炞黠L(fēng)和態(tài)度，并對學(xué)生的科研興趣進行初步的指導(dǎo)。二、實驗原理物體表面分子和內(nèi)部分子所處的境遇不同，表面層分子受到向內(nèi)的拉力，所以液體表面都有自動縮小的趨勢。如果把一個分子由內(nèi)部遷移到表面，就需要對抗拉力而做功。在溫度、壓力和組成恒定時，可逆地表面增加dA所需對體系做的功，叫表面功，可以表示為：WdA式中為比例常

2、數(shù)。在數(shù)值上等于當(dāng)、和組成恒定的條件下增加單位表面積所必須對體系做的可逆非膨脹功，也可以說是每增加單位表面積時體系自由能的增加值。環(huán)境對體系作的表面功轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻鎸臃肿颖葍?nèi)部分子多余的自由能。因此，稱為表面自由能，其單位是焦耳每平方米（）。若把看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，通常稱為表面張力。從另外一方面考慮表面現(xiàn)象，特別是觀察氣液界面的一些現(xiàn)象，可以覺察到表面上處處存在著一種張力，它力圖縮小表面積，此力稱為表面張力，其單位是牛頓每米（）。表面張力是液體的重要特性之一，與所處的溫度、壓力、濃度以及共存的另一相的組成有關(guān)。純液體的表面張力通常是指該液體與飽和了其本身蒸氣的空氣共存的情況而言

3、。2純液體表面層的組成與內(nèi)部層相同，因此，液體降低體系表面自由能的唯一途徑是盡可能縮小其表面積。對于溶液則由于溶質(zhì)會影響表面張力，因此可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的濃度來降低表面自由能。根據(jù)能量最低原則，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時，表面層中溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部來得大。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)部的濃度來得低，這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫“吸附”顯然，在指定溫度和壓力下，吸附與溶液的表面張力及溶液的濃度有關(guān)，用熱力學(xué)的方法推導(dǎo)出它們之間的關(guān)系式：cdRTdc式中為表面超量（mol/m2）；為溶液的表面張力（）；為熱力學(xué)溫度；為溶液濃度（mol/m3）；R為氣體常

4、數(shù)。當(dāng)0時，0稱為正吸附；反之當(dāng)0時，0稱為負吸附。前者表明dcdcTT加入溶質(zhì)使液體表面張力下降，此類物質(zhì)稱表面活性物質(zhì)。后者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力升高,此類物質(zhì)稱非表面活性物質(zhì)。因此，從Gibbs關(guān)系式可看出，只要測出不同濃度溶液的表面張力，以c作圖，在圖的曲線上作不同濃度的切線，把切線的斜率代入吸附公式，即可求出不 同濃度時氣液界面上的吸附量。等溫式表示:在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Kc 1Kc式中為飽和吸附量，為經(jīng)驗常數(shù)，與溶質(zhì)的表面活性大小有關(guān)。將上式化成直線方程則:cc1K若以c作圖可得一直線，由直線斜率即可求出。假若在飽和吸附的情況下，在氣液界面上鋪滿一單分子

5、層，則可應(yīng)用下式求得被測物質(zhì)的橫截面積s。1S0N式中N為阿佛加德羅常數(shù)。實驗方法分為兩種：最大氣泡法和滴重法（一）、最大氣泡法表面張力儀中的毛細管與待測液體面相切時，液面即沿毛細管上升。打開分液漏斗的活塞，使水緩慢下滴而減少系統(tǒng)壓力，這樣毛細管內(nèi)液面上受到一個比試管中液面上大的壓力，當(dāng)此壓力差在毛細管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細管口液體的表面張力時，氣泡就從毛細管口逸出，這一最大壓力差可由數(shù)字式微壓測量儀上讀出。其關(guān)系式為P最大二P大氣-P系統(tǒng)=邛如果毛細管半徑為r,氣泡由毛細管口逸出時受到向下的總壓力為r2p最大氣泡在毛細管受到的表面張力引起的作用力為2nro。剛發(fā)生氣泡自毛細管口逸出時，

6、上述壓力相等，即r2pr2p=2r最大r=p2若用同一根毛細管，對兩種具有表面張力分別為、2的液體而言，則有下列關(guān)系:r=p1211=2-pp12=2piKp（1）i/Pi2式中K為儀器常數(shù)。因此，以已知表面張力的液體為標(biāo)準(zhǔn)，即可求出其它液體的表面張力。（二）、滴重法將一定量的液體吸入滴形成液滴剛剛落下時，可以mg2rF滴洛，同時受到重管，i認為這時重力和表面張力相等，因上的表面張力的影響，當(dāng)所 # s為表面張力。式中m為液滴質(zhì)量；g為重力加速度；r為管端半徑；但實際液滴不會全部落下，液體總是發(fā)生變形，形成“細頸”再在“細頸”處斷開。細頸以下液體滴落，其余殘留管內(nèi)。進行校正后可得1娜滴痂益和倫

7、細戦（2）、0覆0.00式中m，叫分別為待測液體和標(biāo)準(zhǔn)液體的質(zhì)量。利用同一根滴重管可以近似的認為FF。，在滴重管下面放已稱重的干燥的稱量瓶，分別滴幾滴待測液體和標(biāo)準(zhǔn)液體（滴數(shù)相同）并稱重，代入上式,即可求得待測液體的表面張力。三、儀器與藥品儀器：燒杯2個，試管（附橡皮塞）1個，毛細管（半徑為0.15mm0.020mm）1根，容量瓶（50mL）8只，容量瓶（250mL）1只，數(shù)字式微壓測量儀1臺，移液管3根，稱重瓶3個，洗耳球2個。藥品：正丁醇（分析純），丙酮（分析純）。四、實驗步驟最大氣泡法1、洗凈儀器并按照實驗裝置圖搭好。對需干燥的儀器作干燥處理；先利用稱量瓶精確稱量配制濃度為1.0moL/

8、L的溶液250mL，再分別配制0.02moL/L,0.05moL/L，0.10moL/L，0.15moL/L,0.20moL/L,0.25moL/L,0.30moL/L,0.35moL/L正丁醇溶液各100mL（供一組兩名同學(xué)共同使用）。2、記錄下實驗時溫度。3、儀器常數(shù)的測定，先以水為待測液測定其儀器常數(shù)。方法是將干燥的毛細管垂直插到使毛細管的端點剛好與水面相切，打開滴液漏斗，控制滴液速度，使毛細管逸出的氣泡，速度約為5s10s1個。在毛細管口氣泡逸出的瞬間最大壓差約在700Pa800Pa左右（否則需要更換毛細管）?？梢酝ㄟ^手冊查出實驗溫度時水的表面張力，利用公式（1）,求出儀器常數(shù)K。4、

9、待測樣品表面張力的測定，用待測溶液洗凈試管和毛細管，加入適量樣品于試管中，按照儀器常數(shù)測定的方法，測定已知濃度的待測樣品的壓力差，計算其表面張力。滴重法將滴重管垂直固定在鐵架臺上，利用洗耳球加乳膠管將水和待測液體吸入滴重管內(nèi)，至同一高度，然后利用活塞的控制液體的滴速，使其一滴一滴的滴下，每次控制同樣的滴數(shù)滴入干燥的稱量瓶中進行稱量，一般為510滴（實驗中是3+3滴）。根據(jù)公式（2）,利用水的表面張力來測定待測溶液的表面張力。五、實驗注意事項最大氣泡法：1、配制溶液時應(yīng)當(dāng)計算好溶液所需的量。因為母液僅有100mL,所以配制溶液時必須節(jié)約使用，應(yīng)當(dāng)從高濃度向底濃度逐份配制。2、測定用的毛細管一定要

10、洗干凈，而且必須滴加丙酮吹洗后再用電吹風(fēng)吹干，否則氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定的流過而使壓差計讀數(shù)不穩(wěn)定。3、毛細管一定要保持垂直，管口剛好插到與液面接觸。4、在數(shù)字式微壓測量儀上，應(yīng)當(dāng)仔細調(diào)節(jié)分液漏斗的活塞使得氣泡能夠盡可能緩慢逸出，然后再讀出微壓測量儀上的最大壓力。5、每次更換溶液時毛細管必須洗凈烘干，千萬注意不要將異物吹入毛細管內(nèi)使其堵塞。滴重法1、必須保持滴重管的端口平整、光滑，滴重管要始終保持垂直。2、液面高度，滴速和每次的滴數(shù)都要保持相同。3、活塞或洗耳球都必須要好好控制。六、實驗數(shù)據(jù)處理正丁醇質(zhì)量，實驗溫度CTOC o 1-5 h zC0嚴(yán)X/水a(chǎn)最大氣泡法由實驗結(jié)果計算出各份溶液的表面

11、張力O，并作o曲線。水的最大壓力p水=,由公式-L=4得，pp HYPERLINK l bookmark41水=水pipi水可求得不同濃度下的值，列表如下：表不同濃度正丁醇溶液的p值以及相應(yīng)的值(p(P(/11XXX0XXXX由表數(shù)據(jù)作圖得:擬合曲線方程為：=0.07197-0.07197bln(l+c/a)，其中優(yōu)化得a,b的值分別為：0.03763,0.19874R2=0.986132求各濃度的值，并計算各相應(yīng)濃度下的。dcT假設(shè)測定過程中溫度恒定，對上面擬合出的方程求導(dǎo)，得：d=0.01430dc0.03763+cT據(jù)此公式列得表：表最大氣泡法測定正丁醇表面張力，c值ddcTXXXX0X

12、53X007以一c作圖: 圖中直線滿足方程：y=17.48031x+0.64206R2=0.99935故得:=1.75X105mol/m2所得的正丁醇分子的橫截面積1S0N1.751056.0231023mol=2.9010-1m # #2、滴重法數(shù)據(jù)結(jié)果m水=0.3095g Fm.=V/VFmOO000利用公式由表數(shù)據(jù)作圖o關(guān)系并擬合方程:(m(/)XXXXXXXX可列得表表3滴重法測定正丁醇表面張力o數(shù)據(jù)擬合得方程：R2=0.98356試驗溫度下，對擬合方程求導(dǎo)得：d0.01590=-dc為0.05462+c由這個公式計算得到表表滴重法測定正丁醇表面張力，纟c值ddcrXXXXXXG()X

13、XXX2XcXXXX64作圖得圖4 #故得:=1.56X105mol/m2 # 所得的正丁醇分子的橫截面積mol=2.6010-19m211.56105S=0N6.0231023正丁醇分子的橫截面積二X一X文獻值直鏈醇類=X.XTOC o 1-5 h z摘自北京大學(xué)，膠體化學(xué)，(年)七、思考題1用最大氣泡法測定表面張力時為什么要讀最大壓力差？答：測定時氣泡在毛細管口與液面相切處形成。從形成開始，隨滴液漏斗放液，氣泡所受向下壓力增大，曲率半徑減小。當(dāng)此力增大到由表面張力引起的作用力相等時，氣泡破滅，此時(為毛細管半徑)，壓差p2r達最大。且對于同一根毛細管，p只與物質(zhì)的值有關(guān)，所以在測rmax定

14、表面張力時要讀最大壓力差。2哪些因素影響表面張力測定結(jié)果？如何減小以致消除這些因素對實驗的影響？答：()溶液配制過程中誤差比較大，最后得到的濃度因溶質(zhì)揮發(fā)、移液不準(zhǔn)、溶質(zhì)溶解不完全等必定與用質(zhì)量計算得到的濃度有偏差。操作應(yīng)迅速，移液應(yīng)注意靠壁等待時間等，溶質(zhì)溶解盡量完全。C)毛細管半徑可能太大或太小，引起最大壓力差偏大或偏小，使數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。應(yīng)當(dāng)更換半徑合適的毛細管。()毛細管不干凈，或有異物進入毛細管內(nèi)，氣泡一次可能放出多個，壓差計讀數(shù)不穩(wěn)。應(yīng)用丙酮重新清洗、吹干后使用。()毛細管插入液面深淺不一致。應(yīng)先使毛細管伸入液面下，之后緩慢提起，至形成的氣泡即將破裂時停止，依此確定毛細管位置。()測定

15、過程中溫度的變化對表面張力造成影響?？梢杂煤銣匮b置來解決。()壓力差為大氣壓與系統(tǒng)壓力差值，測定時氣流流動會導(dǎo)致壓力測定不穩(wěn)，應(yīng)減少空氣流動擾動。()表面張力的數(shù)值與第二介質(zhì)，即液體表面接觸介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，因其對形成垂直于表面的合力的大小起重要作用。實驗中，因為最大氣泡法測定前調(diào)整毛細管位置需要花費一定時間，若時間過長,正丁烷很容易揮發(fā)，一方面溶液濃度已經(jīng)改變，另一方面溶液表面也含有正丁醇氣氛。影響壓力的準(zhǔn)確測定。實驗中應(yīng)仔細觀察，找到調(diào)整位置的方法。若已花很長時間調(diào)整毛細管，要更換小試管中溶液重新測定。（）其它操作上的問題，如毛細管與液面是否相切，毛細管是否垂直等等。3滴液漏斗放水的速度過快對

16、實驗結(jié)果有沒有影響？為什么？答：有影響。放水過快，氣泡會連續(xù)冒出，微壓測量儀上的數(shù)字波動過快，不能準(zhǔn)確讀值。應(yīng)當(dāng)仔細調(diào)節(jié)活塞，使得放水速度適當(dāng)，讓氣泡能夠每次單個放出，秒內(nèi)出下一個氣泡。八.討論1.實驗結(jié)果分析據(jù)圖2和圖4可得，表面張力隨溶液濃度增大而變小，說明正丁醇是表面活性物質(zhì)。正丁醇是兩系分子，在溶液表面，烴基朝向空氣，羥基朝向水中，降低了水的表面張力，即正丁醇分子比水分子更易脫離表面。于是盡可能多的正丁醇分子趨向表面成為自發(fā)傾向，直到達飽和吸附為止。故O曲線斜率隨濃度增加而減小，趨向于0。實驗中O曲線的擬合是用，擬合公式為希斯科夫經(jīng)驗公式：c-bln（1-）00a式中，0是的表面張力，

17、、為待定經(jīng)驗常數(shù)。操作中先用軟件中的語言編寫該經(jīng)驗函數(shù)，之后編譯保存。導(dǎo)入數(shù)據(jù)，用該函數(shù)進行擬合。擬合前要注意需要用進行參數(shù)設(shè)定，為、兩常數(shù)置初值，最后用得到、的值，擬合完成。常用的擬合函數(shù)還有多項式擬合，但其精度相對較低。原因是通過多項式擬合得到的函數(shù)本身發(fā)展趨勢與實際表面張力隨濃度變化不符。表面張力隨濃度增加最后趨向不變，而擬合得到的函數(shù)在斜率為后，隨自變量增加仍會有變化。比如擬合得到次函數(shù)，因其是偶函數(shù)，比照本次模擬的曲線的大致走向，知二次函數(shù)的二次項系數(shù)必為正，則在該曲線斜率為零后，隨自變量增大，函數(shù)值反將增大，不符合實際表面張力的變化。兩種方法得到的結(jié)果，從線性方面看，是滴重法更好些

18、。原因可能是操作較最大氣泡法簡單，測定較快減小了溶質(zhì)揮發(fā)對重量測定的影響，而使得結(jié)果相對較穩(wěn)。從計算得到的正丁醇分子截面積時，低下的液滴很難保證以平衡態(tài)滴下，沒有一個確定的標(biāo)準(zhǔn)來限定液滴滴下，而且我在測時試驗臺經(jīng)常有震動，滴下來的液體重量就更不準(zhǔn)了；另外，每次接液體我都是用空瓶，更加速了揮發(fā)對稱重的影響。故滴重法誤差來源較多且不易控制。而最大氣泡法在控制條件方面則要求較高，首先用滴液漏斗來精細地調(diào)整加壓速率，另外還需要仔細調(diào)整毛細管伸入液面高度為0最后控制每秒出單個氣泡，期間讀取最大氣壓值。值來看，最大氣泡法更接近文獻值（）。這是因為在用滴重法測定從單個點的結(jié)果比較來看，我的數(shù)據(jù)并沒有像預(yù)想的

19、那樣一一因高濃度溶液揮發(fā)影響較大而結(jié)果偏誤差大，而是隨機性比較高，尤其在最大氣泡法曲線中。這個原因可能是我對實驗條件的控制不穩(wěn)定，或者軟件數(shù)據(jù)擬合有一些問題。jit-:氣泡法測定中I需要調(diào)節(jié)滴液漏斗滴液速率和毛細管高度兩個因素，來控制氣泡每實驗經(jīng)驗小結(jié)用最大單個逸。為達到出氣泡要求，保證毛細管的潔凈是必須的，雖然清洗需花適時間，但從總體來看會事半功倍。操作中，若看到氣泡連續(xù)放出，之后間隔若看到氣泡形狀不太對稱，艮久才冒出，通常是因容細管已伸入液面。要仔細微調(diào)毛細管位置，因為重力已經(jīng)將小試管內(nèi)的液面固定水平，可以比照著調(diào)毛細管。當(dāng)氣泡已達單個穩(wěn)定逸出，最后要周節(jié)的就是滴液速率，使每1出一個氣泡。另外，注意及時補滴液漏斗內(nèi)液體及放液。皿隨3.15妙也13躺 關(guān)于實驗原理：皿w02?對必cfncliLi測定時要求測量的毛細管插入液體中的深度為，是為了消除溶液靜壓對測定結(jié)果的影響；相切:因為毛細管尖端的幾何