實(shí)驗(yàn)十三：最大泡壓法測(cè)表面張力

1、化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)物理化學(xué)部分實(shí)驗(yàn)十三：最大泡壓法測(cè)表面張力1實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?.掌握最大氣泡法測(cè)定表面張力的原理 和技術(shù)。2.通過(guò)對(duì)不同濃度正丁醇溶液表面張力的測(cè)定，加深對(duì)表面張力、表面自由能和表面吸附量關(guān)系的理解。2實(shí)驗(yàn)原理 在液體的內(nèi)部任何分子周?chē)奈κ瞧胶獾?。可是在液體表面層的分子卻不相同。因?yàn)楸砻鎸拥姆肿?，一方面受到液體內(nèi)層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液體表面層中，每個(gè)分子都受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡力（如圖l所示）。圖1 分子間作用力示意圖 3 這種吸引力使表面上的分子向內(nèi)擠促成液體的最小面積。要使液體的表面積增大就必

2、須要反抗分子的內(nèi)向力而作功增加分子的位能。所以說(shuō)分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的變化值G稱(chēng)為單位表面的表面能其單位為Jm-3。而把液體限制其表面及力圖使它收縮的單位直線長(zhǎng)度上所作用的力，稱(chēng)為表面張力，其單位是N.m-1。實(shí)驗(yàn)原理4 液體單位表面的表面能和它的表面張力在數(shù)值上是相等的。欲使液體表面積增加S時(shí)，所消耗的可逆功A為： 液體的表面張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，表面張力愈小。到達(dá)臨界溫度時(shí)，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。液體的表面張力也與液體的純度有關(guān)。在純凈的液體（溶劑）中如果摻進(jìn)雜質(zhì)（溶

3、質(zhì)），表面張力就要發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的本性和加入量的多少。實(shí)驗(yàn)原理5 當(dāng)加入溶質(zhì)后，溶劑的表面張力要發(fā)生變化。根據(jù)能量最低原理，若溶液質(zhì)能降低溶劑的表面張力，則表面層溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部的濃度大；如果所加溶質(zhì)能使溶劑的表面張力增加，那么，表面層溶液質(zhì)的濃度應(yīng)比內(nèi)部低。這種現(xiàn)象為溶液的表面吸附。用吉布斯公式(Gibbs)表示： 式中：為表面吸附量(mol.m-2)，為表面張力（J.m-2）。 實(shí)驗(yàn)原理60，溶質(zhì)能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度大于內(nèi)部的濃度，稱(chēng)為正吸附作用。 （1）（2）0，0，溶質(zhì)能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的 濃度小于內(nèi)部的濃度，稱(chēng)為負(fù)吸附作用。 根

4、據(jù)式（3-126），通過(guò)測(cè)定溶液的濃度隨表面張力的變化關(guān)系可以求得不同濃度下溶液的表面吸附量。實(shí)驗(yàn)原理7 如圖3-77是最大氣泡法測(cè)定表面張力的裝置。待測(cè)液體置于支管試管中，使毛細(xì)管端面與液面相切，液面隨時(shí)毛細(xì)管上升。打開(kāi)滴液漏斗緩慢抽氣。此時(shí)，由于毛細(xì)管液面所受壓力大于支管試管液圖3-77 最大氣泡法表面張力測(cè)定裝置1-滴液漏斗，2-支管試管，3-毛細(xì)管，4-恒溫槽，5-壓差計(jì)實(shí)驗(yàn)原理8如圖3-78所示。在氣泡形成的過(guò)程中，由于表面張力的作用，凹液面產(chǎn)生一個(gè)指向液面外的附加壓力P，因此有以下關(guān)系：附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反比。 （3-128）圖3-78 氣泡形成過(guò)程 P

5、大氣 = P系統(tǒng) + P （3-127）實(shí)驗(yàn)原理9 若毛細(xì)管管徑較小，則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時(shí)，由于表面幾乎是平的，所以曲率半徑R極大；當(dāng)氣泡形成半球形時(shí)，曲率半徑R等于毛細(xì)管半徑r，此時(shí)R值最小。隨著氣泡的進(jìn)一步增大，R又趨增大，直至逸出液面。R=r時(shí)，附加壓力最大： （3-129）實(shí)驗(yàn)原理10氣泡由毛細(xì)管口溢出的總作用力為等于氣泡在管口受到的表面張力如將表面張力為1 ，2的兩種液體采用同一種毛細(xì)管測(cè)量，則有：由已知表面張力的水為標(biāo)準(zhǔn)，可求出其他液體的表面張力實(shí)驗(yàn)原理11實(shí)驗(yàn)中測(cè)出不同濃度正丁醇水溶液的表面張力，以表面張力對(duì)濃度作圖得到一條曲線，從曲線中可以求出不同濃度時(shí)的代入G

6、ibbs吸附公式可計(jì)算出吸附量實(shí)驗(yàn)原理12吸附量與濃度之間的關(guān)系可以用Langmuir等溫吸附方程式表示：（3-133）式中，為飽和吸附量,k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。將上式整理得： （3-134） 以c/對(duì)c 作圖可得到一條直線，其斜率的倒數(shù)為。實(shí)驗(yàn)原理13如果以N代表1m2表面層的分子數(shù)，則:(3-135)式中,NA為Avogadro常數(shù)，則每個(gè)分子的截面積A為:(3-136)實(shí)驗(yàn)原理14儀器與試劑 最大氣泡表面張力測(cè)定儀； 數(shù)字微壓差計(jì)； 蒸餾水； 正丁醇（AR）；15實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理連接好測(cè)定裝置，用已知表面張力的水，測(cè)定出最大壓差，查出相應(yīng)溫度時(shí)的水的表面張力值，計(jì)算出儀器常數(shù)K的值。分別測(cè)定濃度為0.02/0.05/0.10/0.15/0.20mol/l的正丁醇水溶液的最大壓差，根據(jù)儀器常數(shù)計(jì)算出表面張力值。做正丁醇表面張力與濃度的關(guān)系曲線由關(guān)系曲線分別