溶液中的吸附作用和外表張力的測(cè)定

南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 物理化學(xué)試驗(yàn)教案 邱金恒溶液中的吸附作用和外表張力的測(cè)定一、教學(xué)目的1、把握最大氣泡法和滴重法測(cè)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(cè)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(yàn)原理1. 壓力和組成恒定時(shí)，可逆地外表增加dA所需對(duì)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(dāng)T、p和組成恒定的條件下增加單位外表積所必需對(duì)體系做的可逆非σJ/m。假設(shè)把σ看作為作用在界面上每單位長(zhǎng)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(shí)，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(dāng)

00稱為正吸附；反之當(dāng)d

00稱為負(fù)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(cè)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院 物理化學(xué)試驗(yàn)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(shè)以

~c作圖可得始終線，由直線斜率即可求出 。假設(shè)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(yīng)用下式求得被測(cè)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(gè)，毛細(xì)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(cè)量?jī)x1臺(tái)，移液管3根，滴重管1根，洗耳球2個(gè)。正丁醇〔分析純，丙酮〔分析純。試驗(yàn)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院 物理化學(xué)試驗(yàn)教案 邱金恒當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管口液體的外表張力時(shí)管口逸出，這一最大壓力差可由數(shù)字式微壓測(cè)量?jī)x上讀出。其關(guān)系式為p ＝p最大

－p ＝p大氣 系統(tǒng)假設(shè)毛細(xì)管半徑為r，氣泡由毛細(xì)管口逸出時(shí)受到向下的總壓力為r2p最大氣泡在毛細(xì)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(xì)管口逸出時(shí)，上述壓力相等，即r2p最大

r2p＝2r2假設(shè)用同一根毛細(xì)管，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，即可求出其它液體的外表張力?！捕⒌沃胤▽⒖隙康囊后w吸入滴重管3南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)試驗(yàn)教案邱金恒南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)試驗(yàn)教案邱金恒南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)試驗(yàn)教案邱金恒南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)試驗(yàn)教案邱金恒4455當(dāng)所形成液滴剛剛落下時(shí)，可以認(rèn)為這時(shí)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(shí)際液滴不會(huì)全部落下，液體總是發(fā)生變形，形成“細(xì)頸細(xì)頸以下液體滴落，其余殘留管內(nèi)。進(jìn)展校正后可得 Fm

＝Vρ/Vρ

〔2〕 Fm O O0 0 00m，m0分別為待測(cè)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(rèn)為F＝F，〔滴數(shù)一樣并稱重，代入上式，即可求得待測(cè)液體的外表張力。0三、試驗(yàn)步驟〔一、最大氣泡法1、洗凈儀器并依據(jù)試驗(yàn)裝置圖搭好。對(duì)需枯燥的儀器作枯燥處理；先利用稱量瓶準(zhǔn)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(yàn)時(shí)溫度。3、儀器常數(shù)的測(cè)定，先以水為待測(cè)液測(cè)定其儀器常數(shù)。方法是將枯燥的毛細(xì)管垂直插到使毛細(xì)管的端點(diǎn)剛好與水面相切，翻開滴液漏斗，掌握滴液速度，使毛細(xì)管逸出的氣泡，5s～10s1個(gè)。在毛細(xì)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(xì)管。可以通過手冊(cè)查出試驗(yàn)溫度時(shí)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(cè)定的方法，測(cè)定濃度的待測(cè)樣品的壓力差，計(jì)算其外表張力。〔二、滴重法將滴重管垂直固定在鐵架臺(tái)上，利用洗耳球加乳膠管將水和待測(cè)液體吸入滴重管內(nèi)，至入枯燥的稱量瓶中進(jìn)展稱量，一般為～10〔2測(cè)溶液的外表張力。四、教學(xué)提問及爭(zhēng)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(dāng)

00為正吸附時(shí)為外表活性物質(zhì)，當(dāng)d

00為負(fù)Tdc T

dcT T吸附時(shí)為非外表活性物質(zhì)。2、最大氣泡法測(cè)定中＝r2

p公式在什么狀況下成立？答：只有當(dāng)壓力差為最大壓力時(shí)上述公式才成立。3、毛細(xì)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(cè)定時(shí)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(dǎo)數(shù)。6．除了本試驗(yàn)的方法外，還有什么別的方法測(cè)定外表張力？〔主要由教師介紹。五、教學(xué)關(guān)鍵環(huán)節(jié)及留意點(diǎn)〔一、最大氣泡法1、配制溶液時(shí)應(yīng)當(dāng)計(jì)算好溶液所需的量。由于母液僅有100mL，所以配制溶液時(shí)必需節(jié)約使用，應(yīng)當(dāng)從高濃度向底濃度逐份配制。2、測(cè)定用的毛細(xì)管肯定要洗干凈，而且必需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(jì)讀數(shù)不穩(wěn)定。3、毛細(xì)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(cè)量?jī)x上，應(yīng)當(dāng)認(rèn)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(cè)量?jī)x上的最大壓力。5、每次更換溶液時(shí)毛細(xì)管必需洗凈烘干，千萬(wàn)留意不要將異物吹入毛細(xì)管內(nèi)使其堵塞?！捕?、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(yàn)結(jié)果計(jì)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(gè)濃度的點(diǎn)上作切線，分別求出各濃度的

dc值，并計(jì)算各相應(yīng)濃度下的Γ。c3、用c。4、計(jì)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(xiàn)值直鏈醇類S＝2.74×10－19～2.89×10－19m2。0，p77〔1961年〕

T南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)試驗(yàn)教案邱金恒南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)試驗(yàn)教案邱金恒南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)試驗(yàn)教案邱金恒南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)試驗(yàn)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(yàn)溫度T=17.8℃，T=18.5℃，平均溫度T=18.2℃1 218.2℃時(shí)

＝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(cè)定外表張力時(shí)為什么要讀最大壓力差？R=r〔r為毛細(xì)管半徑〕R=r讀最大壓力差。2、哪些因素影響外表張力測(cè)定結(jié)果？如何減小以致消退這些因素對(duì)試驗(yàn)的影響？〔〕換毛細(xì)管使讀數(shù)準(zhǔn)確。毛細(xì)管不干凈，或有異物進(jìn)入毛細(xì)管內(nèi)使得壓力讀數(shù)不穩(wěn)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)真操作使得每一個(gè)環(huán)節(jié)都保持良好的操作步驟。測(cè)定過程中溫度的變化對(duì)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(xì)管與液面是否相切，毛細(xì)管是否垂直等等。3、滴液漏斗放水的速度過快對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有沒有影響？為什么？值。應(yīng)當(dāng)認(rèn)真調(diào)整活塞，使得放水速度適當(dāng)，讓氣泡能夠一個(gè)一個(gè)冒出。八．爭(zhēng)論溫度對(duì)液體和溶液的外表張力的影響是不行無(wú)視的，應(yīng)保持較好的控溫條件。示。對(duì)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(duì)稱力的同一事實(shí)。它們表示。那么表示為外表自由能時(shí)其單位是J/m－2,表示為外表張力時(shí)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(xué)體會(huì)本試驗(yàn)的主要目的是利用兩種不同的方法測(cè)定外表活性物質(zhì)的外表張力學(xué)期物化試驗(yàn)中唯一的膠體與外表化學(xué)局部的試驗(yàn)容進(jìn)展具體的闡述。本試驗(yàn)的兩種方法都要利用到毛細(xì)管的根本原理和Gibbs些相關(guān)學(xué)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(qiáng)p、以及溶液的組分nB，本試驗(yàn)中只