溶液中的吸附作用和外表張力的測定

南京大學化學化工學院 物理化學試驗教案 邱金恒溶液中的吸附作用和外表張力的測定一、教學目的1、把握最大氣泡法和滴重法測定外表活性物質(zhì)正丁醇的外表張力，并且利用Gibbs吸附公Langmuir吸附等溫式測定正丁醇分子的橫截面積。2及直線擬合處理得到不同數(shù)據(jù)。3二、試驗原理1. 壓力和組成恒定時，可逆地外表增加dA所需對體系做的功，叫外表功，可以表示為：WdA式中σ為比例常數(shù)。σ在數(shù)值上等于當T、p和組成恒定的條件下增加單位外表積所必需對體系做的可逆非σJ/m。假設把σ看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，通常稱為外表張力。從另外一方面考慮外表現(xiàn)象，特別是觀看氣液界面的一些現(xiàn)象，可以覺察到外表上處處存在著一種張力，它力圖縮小外表積，此力稱為外表張力，其單位是牛頓每米N/m。外表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)。純液體的外表張力通常是指該液體與飽和了其本身蒸氣的空氣共存的狀況而言。2、純液體外表層的組成與內(nèi)部層一樣，因此，液體降低體系外表自由能的唯一途徑是盡度來降低外表自由能。來得大。反之溶質(zhì)使溶劑的外表張力上升時，它在外表層中的濃度比在內(nèi)部的濃度來得低，這種外表濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫“吸附溶液的外表張力及溶液的濃度有關(guān)，Gibbs c dRT

dcT式中Γ為外表超量mol/2；σ為溶液的外表張力J/m；Tc度mol/3；R為氣體常數(shù)。d當

00稱為正吸附；反之當d

00稱為負吸附。前dc

dcTT TT外表張力上升，此類物質(zhì)稱非外表活性物質(zhì)。因此，從Gibbs關(guān)系式可看出，只要測出不同σ～ｃGibbs～液界面上的吸附量Γ。在肯定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir等溫式表示：1南京大學化學化工學院 物理化學試驗教案 邱金恒Kc1Kc式中 為飽和吸附量，K為閱歷常數(shù)，與溶質(zhì)的外表活性大小有關(guān)。將上式化成直線方程則：c c 1c

K假設以

~c作圖可得始終線，由直線斜率即可求出 。假設在飽和吸附的狀況下，在氣～液界面上鋪滿一單分子層，則可應用下式求得被測物質(zhì)的橫截面積S0。1S 0S為阿佛加德羅常數(shù)。儀器與藥品0

0 N〕1個，毛細管〔半徑為0.15mm～0.020mm〕1根，容量瓶〔50mL〕8只，容量瓶〔100mL〕1只，數(shù)字式微壓測量儀1臺，移液管3根，滴重管1根，洗耳球2個。正丁醇〔分析純，丙酮〔分析純。試驗方法分為兩種：最大氣泡法和滴重法〔一、最大氣泡法2南京大學化學化工學院 物理化學試驗教案 邱金恒當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外表張力時管口逸出，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 ＝p最大

－p ＝p大氣 系統(tǒng)假設毛細管半徑為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外表張力引起的作用力為2πrσ。剛發(fā)生氣泡自毛細管口逸出時，上述壓力相等，即r2p最大

r2p＝2r2假設用同一根毛細管，對兩種具有外表張力分別為σ、σ

的液體而言，則有以下關(guān)系：1 2＝rp1 2 1＝rp2 2 2 p1＝p12＝p22

2＝Kp

〔1〕式中K為儀器常數(shù)。

1 1p 12因此，以外表張力的液體為標準，即可求出其它液體的外表張力?！捕?、滴重法將肯定量的液體吸入滴重管3南京大學化學化工學院物理化學試驗教案邱金恒南京大學化學化工學院物理化學試驗教案邱金恒南京大學化學化工學院物理化學試驗教案邱金恒南京大學化學化工學院物理化學試驗教案邱金恒4455當所形成液滴剛剛落下時，可以認為這時重力和外表張力相等，因而mg＝2r式中m為液滴質(zhì)量；g為重力加速度；r為管端半徑；σ但實際液滴不會全部落下，液體總是發(fā)生變形，形成“細頸細頸以下液體滴落，其余殘留管內(nèi)。進展校正后可得 Fm

＝Vρ/Vρ

〔2〕 Fm O O0 0 00m，m0分別為待測液體和標準液體的質(zhì)量。利用同一根滴重管可以近似的認為F＝F，〔滴數(shù)一樣并稱重，代入上式，即可求得待測液體的外表張力。0三、試驗步驟〔一、最大氣泡法1、洗凈儀器并依據(jù)試驗裝置圖搭好。對需枯燥的儀器作枯燥處理；先利用稱量瓶準確0.8moL/L100mL0.02moL/L，0.05moL/L，0.10moL/L，0.15moL/L，0.20moL/L，0.25moL/L，0.30moL/L，0.35moL/L50mL。2、記錄下試驗時溫度。3、儀器常數(shù)的測定，先以水為待測液測定其儀器常數(shù)。方法是將枯燥的毛細管垂直插到使毛細管的端點剛好與水面相切，翻開滴液漏斗，掌握滴液速度，使毛細管逸出的氣泡，5s～10s1個。在毛細管口氣泡逸出的瞬間最大壓差約在700Pa～800Pa左右〔否則需要更換毛細管?？梢酝ㄟ^手冊查出試驗溫度時水的外表張力，利用公式，求出儀器常數(shù)。4依據(jù)儀器常數(shù)測定的方法，測定濃度的待測樣品的壓力差，計算其外表張力?！捕⒌沃胤▽⒌沃毓艽怪惫潭ㄔ阼F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)，至入枯燥的稱量瓶中進展稱量，一般為～10〔2測溶液的外表張力。四、教學提問及爭論1、如何定義外表活性物質(zhì)與非外表活性物質(zhì)？d答：當

00為正吸附時為外表活性物質(zhì)，當d

00為負Tdc T

dcT T吸附時為非外表活性物質(zhì)。2、最大氣泡法測定中＝r2

p公式在什么狀況下成立？答：只有當壓力差為最大壓力時上述公式才成立。3、毛細管為何每次必需垂直，而且肯定要與液面相切？為最大。4、滴重法測定時為何必需掌握滴速使液體能一滴一滴下落？0 O σ/σ＝Vρ/Vρ0 O 5、σ～c擬合出曲線方程，再求其導數(shù)。6．除了本試驗的方法外，還有什么別的方法測定外表張力？〔主要由教師介紹。五、教學關(guān)鍵環(huán)節(jié)及留意點〔一、最大氣泡法1、配制溶液時應當計算好溶液所需的量。由于母液僅有100mL，所以配制溶液時必需節(jié)約使用，應當從高濃度向底濃度逐份配制。2、測定用的毛細管肯定要洗干凈，而且必需滴加丙酮吹洗后再用電吹風吹干，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、毛細管肯定要保持垂直，管口剛好插到與液面接觸。4、在數(shù)字式微壓測量儀上，應當認真調(diào)整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需洗凈烘干，千萬留意不要將異物吹入毛細管內(nèi)使其堵塞。〔二、滴重法1、必需保持滴重管的端口平坦、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)都要保持一樣。3、活塞或洗耳球都必需要好好掌握。六、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果要求〔一、數(shù)據(jù)處理方法1、由試驗結(jié)果計算出各份溶液的外表張力σ，并作σ～c曲線。

d2、在σ～c曲線上分別在各個濃度的點上作切線，分別求出各濃度的

dc值，并計算各相應濃度下的Γ。c3、用c。4、計算正丁醇分子的橫截面積S0〔二、結(jié)果要求1、σ～c2c~c作圖，直線線性良好。3、正丁醇分子的橫截面積S＝2.4×10－19～3.2×10－19m2。0文獻值直鏈醇類S＝2.74×10－19～2.89×10－19m2。0，p77〔1961年〕

T南京大學化學化工學院物理化學試驗教案邱金恒南京大學化學化工學院物理化學試驗教案邱金恒南京大學化學化工學院物理化學試驗教案邱金恒南京大學化學化工學院物理化學試驗教案邱金恒67〔三〕數(shù)據(jù)結(jié)果正丁醇質(zhì)量m=5.9587g試驗溫度T=17.8℃，T=18.5℃，平均溫度T=18.2℃1 218.2℃時

＝73.02×10-3N/m，水1、最大氣泡法數(shù)據(jù)結(jié)果水的最大壓力p

＝1148Pa，儀器常數(shù)K=6.361×10-5N/m·Pa水〔mol/L)p〔Pa〕1043956888803739712672〔mol/L)p〔Pa〕1043956888803739712672638〔N/m〕6.63×10-26.08×10-25.65×10-25.11×10-24.70×10-2c4.53×10-24.27×10-24.06×10-2濃度濃度0.02010.04980.1030.1510.2010.2510.3050.354c〔mol/L〕dc〔mol/L〕ddcTmol/2〕c

~c值0.04980.1030.1510.2010.2510.305-1.3210-1-1.0810-1-7.5010-2-6.1010-2-4.9310-2-3.7510-22.72×10-64.46×10-64.64×10-65.04×10-65.09×10-64.64×10-61.84×1042.24×1043.23×1043.97×1044.91×1046.47×104c從~c

1直線上得到的斜率

＝1.70×105mol/m2所得的正丁醇分子的橫截面積 S02、滴重法數(shù)據(jù)結(jié)果稱量瓶質(zhì)量m=11.1722g，m =0.4447g水

N＝2.82×10-19m211c(mol/L)m(g)總c(mol/L)m(g)總m(g)液〔N/m〕0.02010.04980.1030.1510.2010.2510.3050.35411.590611.551611.509311.474511.450611.421111.420811.41200.41840.37940.33710.30230.27840.24890.24860.23986.8706.2305.5354.9644.5714.0874.0823.938×10-2×10-2×10-2×10-2×10-2×10-2×10-2×10-2c4

~c值c〔mol/L〕c〔mol/L〕0.04980.1030.1510.2010.2510.305ddcT-2.2610-1-1.1510-1-9.2010-2-7.0010-2-5.0010-2-3.2010-2mol/2〕c4.66×10-64.75×10-6 5.70×10-6 5.78×10-6 5.16×10-63.96×10-61.07×1042.11×1042.63×1043.46×1044.84×1047.58×104c從~c

1直線上得到的斜率

＝1.70×105mol/m2所得的正丁醇分子的橫截面積七、思考題解答

S 10 N

＝2.82×10-19m21、用最大氣泡法測定外表張力時為什么要讀最大壓力差？R=r〔r為毛細管半徑〕R=r讀最大壓力差。2、哪些因素影響外表張力測定結(jié)果？如何減小以致消退這些因素對試驗的影響？〔〕換毛細管使讀數(shù)準確。毛細管不干凈，或有異物進入毛細管內(nèi)使得壓力讀數(shù)不穩(wěn)。應當認真操作使得每一個環(huán)節(jié)都保持良好的操作步驟。測定過程中溫度的變化對外表張力的影響，可以用恒溫裝置來解決。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試驗結(jié)果有沒有影響？為什么？值。應當認真調(diào)整活塞，使得放水速度適當，讓氣泡能夠一個一個冒出。八．爭論溫度對液體和溶液的外表張力的影響是不行無視的，應保持較好的控溫條件。示。對于非締合性液體的外表張力與溫度的關(guān)系根本上是線性的。 T

[1K(TT)]0 0式中T、0分別為溫度T和T0K為外表張力的溫度系數(shù)。外表自由能和外表張力從不同的角度反映了外表上存在不對稱力的同一事實。它們表示。那么表示為外表自由能時其單位是J/m－2,表示為外表張力時其單位是N/m－1〔濃度及其共存的另一相性質(zhì)的影響。九．教學體會本試驗的主要目的是利用兩種不同的方法測定外表活性物質(zhì)的外表張力學期物化試驗中唯一的膠體與外表化學局部的試驗容進展具體的闡述。本試驗的兩種方法都要利用到毛細管的根本原理和Gibbs些相關(guān)學問是格外必要的。影響外表張力的因素有很多，主要有溫度T、壓強p、以及溶液的組分nB，本試驗中只