表面張力的測定

溶液表面張力的測定測定姓名：夏勝軍學(xué)號(hào)：2015011944班級(jí)：材52同組：韋堯潔實(shí)驗(yàn)日期：2016年11月17日提交報(bào)告日期：2016年11月22日助教：段煉引言1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1.1測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力。1.1.2根據(jù)吉布斯公式計(jì)算正丁醇溶液的表面吸附量。1.1.3掌握用最大氣泡法測定表面張力的原理和技術(shù)。1.2實(shí)驗(yàn)原理在液體內(nèi)部，任何分子受周圍分子的吸引力是平衡的?？墒潜砻鎸拥姆肿邮軆?nèi)層分子的吸引與受表面層外介質(zhì)的吸引并不相同，所以，表面層的分子處于力不平衡狀態(tài)，表面層的分子比液體內(nèi)部分子具有較大勢能，如欲使液體產(chǎn)生新的表面，就需要對(duì)其做功。在溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆地使表面積增加dA所需做的功為-SW=ydA(1)比例系數(shù)Y表示在等溫等壓下形成單位表面所需的可逆功，其數(shù)值等于作用在界面上每單位長度邊緣的力，稱為表面張力。純物質(zhì)表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此純液體降低表面自由能的唯一途徑是盡可能縮小其表面積。對(duì)于溶液，由于溶質(zhì)使溶劑表面張力發(fā)生變化，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。(dy根據(jù)能量最低原則，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時(shí)，表面層溶質(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(shí)，表面層溶質(zhì)的濃度比內(nèi)部的濃度低。這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。顯然，在指定的溫度和(dyRTIdc⑵TRTIdc式中：「為表面吸附量(mol?m-2)；Y為表面張力(N?m-)；c為溶質(zhì)的濃度(mol?m-3)；T為熱力學(xué)溫度(K)；R為摩爾氣體常數(shù)(8.314J?mol?K-1)。r值可正可負(fù)，正值為正吸附，負(fù)值為負(fù)吸附。顯然，r不僅能表明吸附的性質(zhì)，而且其值還能說明表面吸附的程度：「=0表明無吸附現(xiàn)象；其值越遠(yuǎn)離0,表明吸附程度越大。溶于液體中使表面張力降低的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)，反之，稱為非表面活性物質(zhì)。在水溶液中，表面活性物質(zhì)有顯著的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，它是由極性（親水）部分和非極性（憎水）部分構(gòu)成的。在水溶液表面，一般極性部分取向溶液內(nèi)部，而非極性部分則取向空氣部分。對(duì)于有機(jī)化合物來說，表面活性物質(zhì)的非極性部分為碳?xì)浠?；而極性部分一般為：一NH2，—OH，SH，—COOH，—SO3H等。表面活性物質(zhì)分子在溶液表面的排列情況，隨其在溶液中的濃度不同而異。圖1表示分子在界面上的排列，在濃度極小的情況下，物質(zhì)分子平躺在溶液表面上如圖1-（1）所示，濃度逐漸增加時(shí)，分子的排列如下左圖所示。最后當(dāng)濃度增加至一定程度時(shí)，被吸附的分子占據(jù)了所有表面，形成飽和的吸附層，如下右圖所示。戛1。WN產(chǎn)三三瓷項(xiàng)！三如帶H跚F在壯峪：的明圖z-1■8Ji如果作出Y-c等溫曲線來，可以看出，在開始時(shí)Y隨c之增加而下降很快，而以后的變化比較緩慢。根據(jù)Y-c等溫曲線，可以用作圖法求出不同濃度的r值（見圖2）。在Y-c等溫曲線上取一點(diǎn)a，過a點(diǎn)做曲線的切線以及平行于橫坐標(biāo)的直線分別一一（_Z交于縱坐標(biāo)軸于b、b，，令bb'=Z，則Z=—c；|，帶入（2）式，「=出。從VdcJRTT,pY-c等溫曲線上取不同的點(diǎn)，就可以得出不同的Z值，從而可以求出不同濃度的吸附量。吸附量與濃度之間的關(guān)系可以用朗格繆爾等溫吸附方程表示。在一定溫度下，吸附量與溶液濃度之間有如下關(guān)系:式中「8式中「8為飽和吸附量，k為常數(shù)。上式可以改寫為如下的形式:若以C/r對(duì)c作圖，應(yīng)為一直線，其斜率的倒數(shù)即為「8。本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡法測定表面張力，裝置下圖所示。r~7州Z1Z3|M小表聊赧力牧目Ir加倩；'iJh/ftIi《R.H將待測液體裝入大試管4,將端口磨平的毛細(xì)管1垂直安裝，使其端口恰好觸及液面，若液體能潤濕毛細(xì)管壁，液面沿毛細(xì)管上升。打開抽氣瓶3的活塞抽氣，則毛細(xì)管內(nèi)液面上受到一個(gè)比外邊液面較大的壓力，氣泡將自管口內(nèi)壁逐漸形成，見圖4。開始時(shí)形成的氣泡曲率半徑很大，隨后半徑逐漸變小，泡內(nèi)外的壓力差逐漸增加。當(dāng)形成的氣泡剛好是半球形時(shí)半徑最小，泡內(nèi)外壓力差達(dá)到最大值。此后半徑又逐漸變大，壓力差逐漸下降，從而使氣流沖入氣泡內(nèi)最終將其吹離管口。在此過程中，最大壓力差p可由“U”形壓力計(jì)2上讀出。根據(jù)Yonug-Laplace方程：TOC\o"1-5"\h\z.2y詢=——（5）r，一r4即得Y=2Ap（6）其中r是氣泡恰呈半球形時(shí)的半徑，因此是毛細(xì)管的內(nèi)半徑。若用同一支毛細(xì)管和壓力計(jì)，對(duì)兩種具有不同表面張力y1和y2的液體進(jìn)行測量，則下列關(guān)系式成立:yAh—1=1yAh故有y=」Ah=KAh（7）iAh2ii式中的Ah1、Ah2為U型壓力計(jì)兩邊讀數(shù)之差，K值對(duì)同一支毛細(xì)管及同一種壓力計(jì)介質(zhì)是常數(shù)，稱作儀器常數(shù)。由已知表面張力的液體作標(biāo)準(zhǔn)求出常數(shù)K，便可用上式求其它液體的表面張力。本實(shí)驗(yàn)需要測量氣泡脫離毛細(xì)管端口瞬間的壓力，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，目視讀數(shù)比較困難。采用計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，能夠快速記錄壓力變化數(shù)據(jù)，通過壓力變化曲線觀察氣泡形成過程。相比目視讀數(shù)，準(zhǔn)確性和可操作性大大提高。那么，式7就變?yōu)閥y=AE=KAE（8）2且由（2）、（3）可推出擬合公式：y=-RTTln（1+c）+C（9）sk通過作y和c關(guān)系圖可求得飽和吸附量r。實(shí)驗(yàn)操作2.1實(shí)驗(yàn)用品表面張力測量裝置，100ml容量瓶7個(gè)，50ml、25ml移液管各一個(gè)，洗耳球、一次性滴管各一個(gè)，大、小燒杯各一個(gè)。0.4mol/L與0.5mol/L的正丁醇水溶液，去離子水，燒杯，廢液瓶2.2實(shí)驗(yàn)操作步驟2.2.1溶液配制由0.4mol/L與0.5mol/L的正丁醇水溶液，使用50ml、25ml移液管，分別配制濃度為0.3mol/L、0.25mol/L、0.2mol/L、0.15mol/L、0.1mol/L、0.05mol/L、0.025mol/L的正丁醇水溶液。2.2.2開啟儀器1）恒溫槽。接電源，先開攪拌，再連接溫控儀與加熱器，開始溫度控制。2）壓差測量。首先打開測壓儀，然后打開電腦。打開“數(shù)據(jù)采集”軟件，在“參數(shù)設(shè)置”中設(shè)定采樣頻率為10次/秒，如果測量曲線為直線，則需要重新啟動(dòng)電腦。測量前，應(yīng)首先走15?20s基線。測量過程中不要切換測壓器單位。2.2.3壓差的測定1）標(biāo)定儀器。充分洗凈大試管及毛細(xì)管，在大試管中注入適量的去離子水（即參比樣品），使毛細(xì)端口剛好和液面相切。注意：毛細(xì)管與液面垂直，深入液面不宜過深或過淺，2mm左右可以接受，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中盡量保持一致。將大試管安裝在恒溫水浴中，恒溫。給抽氣瓶注滿水，打開抽氣瓶旋塞，使瓶內(nèi)的水緩慢滴出，然后關(guān)閉通大氣的閥門。此時(shí)，試管壓力逐步下降，隨后，隨著氣泡的產(chǎn)生與破滅，會(huì)出現(xiàn)壓力的振蕩。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。建議：8?10s產(chǎn)生一個(gè)氣泡，采樣6~7個(gè)穩(wěn)定振蕩。（壓差，即大試管內(nèi)壓強(qiáng)與毛細(xì)管液面上方大氣壓強(qiáng)之差）2）測定正丁醇溶液。依次測量所配置的正丁醇溶液以及0.4和0.5mol/L的正丁醇水溶液。注意：（1）考慮不同濃度溶液的測量順序（測量時(shí)應(yīng)按正丁醇溶液濃度由低到高的順序測量，避免上一次測量后試管中殘余的廢液濃度較大對(duì)下一次測量產(chǎn)生的影響）。（2）實(shí)驗(yàn)過程中，廢液倒入廢液瓶，及時(shí)加塞（防止正丁醇的揮發(fā)對(duì)溶液濃度的影響，以減小實(shí)驗(yàn)誤差）。2.2.4關(guān)機(jī)1）恒溫槽首先斷開加熱器，再關(guān)攪拌。2）將廢液瓶中的廢液倒入貼有正丁醇標(biāo)簽廢液桶2.2.5數(shù)據(jù)處理1）不采用書上所說的鏡面法，而是采用公式擬合法：用經(jīng)驗(yàn)公式（T=A+Bln（c+C）擬合；擬合公式可由（2）、（3）推出）。2）求出飽和吸附量、分子截面積和單分子層厚度。3）注意有效數(shù)字位數(shù)。2.3實(shí)驗(yàn)條件室溫17.0°C，相對(duì)濕度34%，大氣壓101.91kPa，恒溫平均溫度21.00°C。

數(shù)據(jù)處理3.1原始數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中由測壓儀記錄的在毛細(xì)管端口液面上下的壓強(qiáng)差電位隨時(shí)間t變化的曲線圖如下所示:>￡?duì)€目>￡?duì)€目去離子水電位-時(shí)間曲線0.025mol/L正丁醇溶液電位時(shí)間曲線電位>￡〉垣呂0.05mol/L正丁醇溶液電位時(shí)間曲線0204060GO1QD120時(shí)間＜S)0.15mol/L正丁醇溶液電位時(shí)間曲線電位.>E7垣§>￡)垣R0.25mol/L正丁醇溶液電位時(shí)間曲線電位-0.11--012-0.13-0.14-0.15-0.16-0,17-0.18-0.19-203040時(shí)間(s)-0.09-0.4mol/L正丁醇溶液電位時(shí)間曲線電位時(shí)間（S）0.5mol/L正丁醇溶液電位時(shí)間曲線3.2數(shù)據(jù)處理由附表查得：21.00°C時(shí)水和空氣界面上的表面張力Y0=72.59x10-3N?m-i,由電壓變化曲線得平均壓強(qiáng)電勢差A(yù)E=0.2865mV,所以儀器常數(shù)為：K=0AE=254.17N?m-i?V-i利用求得的K值及（8）式計(jì)算得各濃度下正丁醇溶液的表面張力Y如下表所示：表1不同濃度下正丁醇的表面張力Yc/mol-1-100.0250.050.10.150.20.250.30.40.5AE/mV0.28650.27290.27290.25750.21710.20570.19300.21040.18610.1565y/10-3N-m-172.5969.1469.1465.2455.0152.1248.9053.3147.1539.65由表中所得不同濃度下正丁醇的表面張力Y的數(shù)據(jù)，做不同濃度正丁醇的表面張力Y與其濃度c的圖像，考慮到0.3mol/L組的數(shù)據(jù)偏離其他數(shù)據(jù)的趨勢，顧將其剔除，擬合擬合函數(shù)關(guān)系式：y=30.599-21.235ln(c+0.13181)R2=0.9589那么，由(9)式對(duì)應(yīng)系數(shù)相等，得：rOT=a/(RT)=1.251*10-5mol/m2由于單位面積上的分子數(shù)為r8Na(NA為阿伏加德羅常數(shù))，所以每個(gè)分子在表面上所占的面積，即分子的截面積為q=1/(FOTNA)=1.328*10-i9m2所以，單分子層厚度為：h=2(q/兀)0.5=4.112*10-10m結(jié)論實(shí)驗(yàn)測定在25.0°C時(shí)不同濃度下正丁醇溶液的表面張力大小如下表所示:c/mol-1-100.0250.050.10.150.20.250.30.40.5Y/10-3N-m-172.5969.1469.1465.2455.0152.1248.9053.3147.1539.65此溫度下，正丁醇水溶液的飽和吸附量「8=1.251x10-5mol?m-2分子的截面積q=1.328x10-19m2，單分子層厚度h=4.112x10-10m參考文獻(xiàn)清華大學(xué)賀德華、麻英、張連慶，《基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》，高等教育出版社，2008,87~95清華大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)編寫組，《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》，清華大學(xué)出版社，1991，287?296北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組，《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》，北京大學(xué)出版社，2002，134~136朱文濤，《物理化學(xué)》上冊(cè)，清華大學(xué)出版社，1995，135~138思考題6.1要做好這個(gè)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵因素有哪些？答：(1)毛細(xì)管管口要和大試管液面垂直并剛好接觸，同時(shí)要確保固定毛細(xì)管的橡皮塞及大試管管口的橡皮塞塞緊，防止漏氣。若密封性能較差，則氣泡溢出時(shí)間會(huì)過長，且在氣泡溢出過程中很不穩(wěn)定，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果。在調(diào)節(jié)抽氣瓶的滴水速度時(shí)不能過快，否則會(huì)使毛細(xì)管口出泡速度過快，使壓力計(jì)無法準(zhǔn)確測出最大壓強(qiáng)差點(diǎn)。溶液配制要精確，實(shí)驗(yàn)時(shí)按濃度從低到高的順序測量。大試管及毛細(xì)管在進(jìn)行完一組實(shí)驗(yàn)后要進(jìn)行潤洗才能進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。表面張力和溫度有關(guān)，每次都應(yīng)將溶液在恒溫槽中靜置一段時(shí)間恒溫后再測量。6.2氣泡形成速度過快對(duì)結(jié)果有何影響？答：氣泡形成過程中會(huì)在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷外界大氣壓強(qiáng)和大試管內(nèi)壓強(qiáng)差的最大值。若氣泡形成速度太快則可能會(huì)使最大點(diǎn)難以捕捉。另外氣泡的形成的短暫時(shí)間內(nèi)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過程，形成速度過快則可能對(duì)周圍溶液產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾。6.3為什么毛細(xì)管口要和液面剛好接觸？毛細(xì)管內(nèi)徑均勻與否對(duì)結(jié)果有無影響？答：如果毛細(xì)管管口未接觸液面，則不會(huì)形成氣泡；如果毛細(xì)管管口深入液面下方過深，則測出的壓差就包括了液面下方高度所產(chǎn)生的水壓。而每次實(shí)驗(yàn)過程中又很難保證深入液面下方的距離相同，由此導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)的誤差。但是剛好接觸比較難以判斷，一般讓管尖稍稍沒入水下2mm左右，肉眼可以分辨即可。毛細(xì)管內(nèi)徑均勻與否對(duì)結(jié)果無影響。實(shí)際上毛細(xì)管主要起作用的是毛細(xì)管尖口部分。若毛細(xì)管端口半徑過大，則會(huì)導(dǎo)致峰值變小，不便于數(shù)據(jù)處理，使誤差增大；若毛細(xì)管端口半徑過小，則實(shí)驗(yàn)需要的時(shí)間變長。應(yīng)該保證端口處平整、半徑均勻。7收獲與建議本次試驗(yàn)開始時(shí)進(jìn)行得很不順利，在0.15mol/L和0.1mol/L的溶液組耽擱了很久，因?yàn)橐恢彪y以獲得穩(wěn)定的而且間隔合適的氣泡。產(chǎn)生氣泡的速率時(shí)而過快，時(shí)而過慢，而且氣泡產(chǎn)生的速率會(huì)漸漸下降。后來經(jīng)助教提醒，是實(shí)驗(yàn)裝置的氣