應用物理化學最大壓差法測表面張力中國石油大學

1、 . . 7/7中國石油大學化學原理（二）實驗報告實驗日期：2014.10.24成績：班級：石工 學號：教師：王增寶同組者：最大壓差法測表面力一、實驗目的1.掌握最大壓差法測定表面力的原理與方法；2.測定正丁醇水溶液的表面力，了解表面力的概念與影響因素；3.學習Gibbs公式與其應用。二、實驗原理由于凈吸引力的作用，處于液體表面的分子傾向于到液體部來，因此液體表面傾向于收縮。要擴大面積，就要把部分子移到表面來，這就要克服凈吸引力作功，所作的功轉變?yōu)楸砻娣肿拥奈荒?。單位表面具有的表面能叫表面力。在一定溫度、壓力下純液體的表面力是定值。但在純液體中加入溶質，表面力就會發(fā)生變化。若溶質使液體的表面力

2、升高，則溶質在溶液相表面層的濃度小于在溶液相部的濃度；若溶質使液體的表面力降低，則溶質在溶液相表面層的濃度大于在 溶液相部的濃度。這種溶質在溶液相表面的濃度和相部的濃度不同的現(xiàn)象叫吸附。在一定的溫度、壓力下，溶質的表面吸附量與溶液的濃度、溶液的表面力之間的關系，可用吉布斯（Gibbs）吸附等溫式表示：式中：吸附量（mol/L）；c吸附質在溶液部的濃度(mol/L)；表面力（N/m）； R通用氣體常數(shù)（）；T絕對溫度（K）。若，溶質為正吸附；若，溶質為負吸附。通過實驗若能測出表面力與溶質濃度的關系，則可作出曲線，并在此曲線上任取若干個點作曲線的切線，這些曲線的斜率即為濃度對應的，將此值代入上式可

3、求出在此濃度時的溶質吸附量。測定液體表面力的方法有許多種。本實驗采用最大壓差法，測定裝置如圖1。圖1 表面力測定裝置測定時，將分液漏的活塞打開，使瓶壓力增加，氣泡即可通過毛細管（要求它的尖嘴剛剛與液面接觸）。從浸入液面的毛細管端鼓出空氣泡時，需要高出外部大氣壓的附加壓力，以克服氣泡表面力。如果毛細管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的（圖2）。此時附加壓力與表面力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關系式如下：式中：廣口瓶滴水形成的附加壓力；R氣泡的曲率半徑；表面力（N/m）。當氣泡開始形成時，表面幾乎是平的，這是曲率半徑最大，隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這是曲率半徑與毛細

4、管半徑r相等，曲率半徑達最小值，根據(jù)上式，這時附加壓力達最大值。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡溢出。圖2 氣泡最小曲率半徑示意圖如果用圖1裝置，分別測出一種已知表面力的液體（例如水）和另一未知表面力液體（如正丁醇水溶液）的附加壓力最大值，這時因為 R=r，所以,（1）式中：已知表面力液體的最大附加壓力；已知液體的表面力。（2）式中：已知表面力液體的最大附加壓力；已知液體的表面力。因為兩種液體的最大附加壓力（即最大壓差）是在同一儀器的同一毛細管測的。所以，上兩式的 r 是一樣的，若將r 消去即得：（3）因此，在同一溫度下，只要測得P1、P2，再由溫度查出已知表面力液體（水）的表

5、面力；即可由公式（3）求出未知液體的表面力。三、實驗儀器與藥品1儀器 最大壓差法測表面力裝置一套，洗瓶，吸耳球。2藥品 正丁醇（分析純），蒸餾水。四、實驗操作步驟1用洗液洗表面力測定儀的外套管和毛細管。方法是在外套管中放入少量洗液，傾斜轉動外套管，使洗液與外套管接觸（注意不要讓洗液從側管流出）。再將毛細管插入，這時保持外套管傾斜不動，轉動毛細管，使洗液與毛細管接觸，再用洗耳球吸洗液至毛細管，洗毛細管壁。用完的洗液倒回原來瓶中，然后用自來水充分沖洗外套管和毛細管，最后用蒸餾水沖洗外套管和毛細管各三次，即可進行下面實驗。2在外套管中放入蒸餾水（作為已知表面力的液體，其表面力見附錄二），將毛細管插入

6、外套管，塞緊塞子，并使毛細管尖端剛碰到液面。如果外套管中液體稍過量，則可用吸耳球將液體吸到毛細管中，將液體移出。通過調節(jié)，使毛細管尖端剛碰到液面。3關閉滴液漏斗下活塞，在分液漏斗加入自來水。按照圖1將表面力測定裝置管線流程接上。4打開精密數(shù)字壓力計電源，然后打開漏斗上活塞，將管線壓力放空。按精密數(shù)字壓力計的采零鍵，是精密數(shù)字壓力計的示數(shù)置零。5關閉滴液漏斗上活塞，打開分液漏斗的活塞，使分液漏斗中的水慢慢滴下，這時氣泡將通過毛細管端冒出。從精密數(shù)字壓力計上讀取最大壓差值，重復讀取三個數(shù)值，將數(shù)據(jù)記錄在實驗記錄紙上，取平均值。6測完蒸餾水的最大壓差后，倒掉蒸餾水，用0.02mon/L的正丁醇洗一次

7、外套管和毛細管兩次，然后再加入該溶液，按照測蒸餾水的最大壓差一樣，測定該溶液的最大壓差。依次測得0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mol/L的正丁醇溶液的最大壓差。（注意：每更換一次溶液，都應用待定液洗外管套管和毛細管）。7記錄實驗溫度。五、實驗數(shù)據(jù)處理1.由附錄一查出實驗溫度下蒸餾水的表面力。答：當室溫T=21C時，查附錄一可知2.由公式計算出不同濃度正丁醇溶液的表面力，用表格的形式列出計算結果，并取一組數(shù)據(jù)附一計算實例。室溫：21C正丁醇mol/L 壓力（Pa）H2O0.020.050.100.150.200.250.300.35P134933130728

8、7263235222214197P2348327308283262235222213197P3349334307287266236222215197348.7330.7307.3285.7263.7235.3222.0214.0197.0（mN/m）72.5968.8463.9759.4754.8948.9846.2144.5441.01表1最大壓差法測定表面力實驗記錄表解：查得實驗溫度下蒸餾水的表面力為72.59mN/m以0.20mol/L正丁醇為例：由公式可得以此為例，可得到表1中數(shù)據(jù)。3.以表面力為縱坐標，以濃度為橫坐標，在坐標紙上畫出正丁醇溶液的圖。圖3 294K時正丁醇的圖4.在圖上

9、選若干點，作不同濃度曲線時切線，依Gibbs公式求出相應的表面吸附量；并在坐標紙上畫出正丁醇溶液的吸附等溫線。根據(jù)擬合曲線公式：計算出在00.35mol各點的切線的斜率以c=0.20mol/L數(shù)據(jù)為例計算?？芍赾=0.20mol/L處的切線斜率為-0.078438，又因為T=21+273=294K，C(mol/L)0.020.050.100.150.200.250.300.35(10-6mol/L)1.1072.5754.5025.7846.4186.4065.7474.441表2294K正丁醇的表圖4294K時正丁醇的圖六、思考題1.實驗中，如果毛細管深入液面 1mm 會造成多大誤差？答

10、：如果毛細管深入液面1毫米，會使附加壓力增大。根據(jù)公式，得到增加的附加壓力為P=9.8Pa。2.實驗中，為什么要盡量放慢鼓泡速度？答：因為儀器有一定的反應時間，讓氣泡生成速度放慢從而較準確讀出最大值，鼓泡過快可能會使讀出的數(shù)不是最大值會造成實驗測量誤差。3.實驗中，為什么要求從稀到濃逐個測定不同濃度溶液的表面力？答：為了減少由于殘留正丁醇的影響而造成的實驗誤差，使實驗更加的準確。4.解釋曲線的變化趨勢。答：隨濃度的增加表面力逐漸減小，并且切線斜率隨著濃度的增大而逐漸減小，切線方向最終逐漸趨于水平，最后曲線無限趨近于直線穩(wěn)定。5.實驗中，影響表面力測定準確性的因素有哪些？答：影響表面力準確性的因素主要有儀器的氣密性是否良好，毛細管與液面是否剛剛接觸，室溫的大小，溶液濃度是否準確，實驗開始前是否去除上次實驗殘留藥品的影響，氣泡冒出時是否緩慢。七