2023年新版最大泡壓法測(cè)定溶液表面張力實(shí)驗(yàn)報(bào)告

最大泡壓法測(cè)定溶液表面張力一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?１.明確表面張力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意義；2.掌握最大泡壓法測(cè)定溶液表面張力的原理和技術(shù)；3．掌握計(jì)算表面吸附量和吸附質(zhì)分子截面積的方法。二．實(shí)驗(yàn)原理:1.表面張力和表面吸附液體表面層的分子一方面受到液體內(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，由于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１所示，這種吸引力使表面上的分子自發(fā)向內(nèi)擠促成液體的最小面積，因此，液體表面縮小是一個(gè)自發(fā)過程。在溫度、壓力、組成恒定期，每增長(zhǎng)單位表面積,體系的吉布斯自由能的增值稱為表面吉布斯自由能（J·ｍ－2),用γ表達(dá)。也可以看作是垂直作用在單位長(zhǎng)度相界面上的力，即表面張力(N·m－1)。欲使液體產(chǎn)生新的表面ΔS,就需對(duì)其做表面功,其大小應(yīng)與ΔＳ成正比,系數(shù)為即為表面張力γ：－W=γ×ΔS(１)圖１液體表面與分子內(nèi)部受力情況圖在定溫下純液體的表面張力為定值，當(dāng)加入溶質(zhì)形成溶液時(shí),分子間的作用力發(fā)生變化，表面張力也發(fā)生變化,其變化的大小決定于溶質(zhì)的性質(zhì)和加入量的多少。水溶液表面張力與其組成的關(guān)系大體有以下三種情況:(１)隨溶質(zhì)濃度增長(zhǎng)表面張力略有升高;(2）隨溶質(zhì)濃度增長(zhǎng)表面張力減少，并在開始時(shí)降得快些；（3)溶質(zhì)濃度低時(shí)表面張力就急劇下降，于某一濃度后表面張力幾乎不再改變。以上三種情況溶質(zhì)在表面層的濃度與體相中的濃度都不相同，這種現(xiàn)象稱為溶液表面吸附。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能減少溶劑的表面張力時(shí),表面層中溶質(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),它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低。在指定的溫度和壓力下,溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度之間的關(guān)系遵守吉布斯(Gｉbbs）吸附方程：Γ=(2）式中,Г為溶質(zhì)在表層的吸附量，單位moｌ·m2，γ為表面張力,c溶質(zhì)的濃度。若<０,則Γ＞0,此時(shí)表面層溶質(zhì)濃度大于本體溶液，稱為正吸附。引起溶劑表面張力顯著減少的物質(zhì)叫表面活性劑。若＞０,則Γ<０，此時(shí)表面層溶質(zhì)濃度小于本體溶液,稱為負(fù)吸附。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得表面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系，作出γ－c曲線，并在此曲線上任取若干點(diǎn)作曲線的切線，這些切線的斜率就是與其相應(yīng)濃度的,將此值代入（2）式便可求出在此濃度時(shí)的溶質(zhì)吸附量Γ。吉布斯吸附等溫式應(yīng)用范圍很廣，但上述形式僅合用于稀溶液。2.最大泡壓法測(cè)表面張力原理測(cè)定溶液的表面張力有多種方法，較為常用的有最大泡壓法其測(cè)量方法基本原理可參見圖2。圖２最大拋壓法測(cè)液體表面張力裝置圖中B是管端為毛細(xì)管的玻璃管,與液面相切。毛細(xì)管中大氣壓為p0。試管A中氣壓為p,當(dāng)打開活塞E時(shí)，C中的水流出,體系壓力p逐漸減小,逐漸把毛細(xì)管液面壓至管口,形成氣泡。在形成氣泡的過程中,液面半徑經(jīng)歷：大→小→大,即中間有一極小值rmiｎ=r毛，此時(shí)氣泡的曲率半徑最小,根據(jù)拉普拉斯公式,氣泡承受的壓力差也最大，有公式:此壓力差可由壓力計(jì)D讀出,故待測(cè)液的表面張力為(4)若用同一支毛細(xì)管測(cè)兩種不同液體，其表面張力分別為γ1、γ2，壓力計(jì)測(cè)得壓力差分別為Δp１、Δp２則：（5)若其中一種液體的γ1已知,例如水,則另一種液體的表面張力可由上式求得。即：(6)式中稱為儀器常數(shù)，可用某種已知表面張力的液體（常用蒸餾水)測(cè)得。三.儀器與試劑：最大泡壓法表面張力儀,精密數(shù)字壓力計(jì)，吸耳球,移液管（各種量程），容量瓶（５0mL)，正丁醇（分析純),蒸餾水。四．實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié):1．儀器準(zhǔn)備與檢漏將潔凈的表面張力儀各部分連接好。將自來水注入抽氣管C中；在試管A中注入約５0mL蒸餾水,使毛細(xì)管下端較深地浸入到水中;打開活塞E,這時(shí)抽氣管C中水流出,使體系內(nèi)的壓力減少（注意:勿減少到使毛細(xì)管口冒泡）,當(dāng)壓力計(jì)指示出若干壓力差時(shí)，關(guān)閉活塞E，停止抽氣。若2miｎ～3miｎ內(nèi)，壓力計(jì)指示壓力差不變，則說明體系不漏氣,可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。２.儀器常數(shù)Ｋ的測(cè)量調(diào)節(jié)毛細(xì)管或液面高度，使毛細(xì)管口與水面相切。打開活塞E抽氣，調(diào)節(jié)抽氣速度,使氣泡由毛細(xì)管尖端成單泡逸出,且每個(gè)氣泡形成的時(shí)間為為6s～10ｓ。若形成時(shí)間太短，則吸附平衡來不及在氣泡表面建立起來,測(cè)得的表面張力也不能反映該濃度之真正的表面張力值。在形成氣泡的過程中，液面半徑經(jīng)歷:大→小→大,同時(shí)壓力差計(jì)指示值的絕對(duì)值則經(jīng)歷:小→大→小的過程,記錄下絕對(duì)值最大的壓力差,三次，取其平均值。再由附錄中,查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)水的表面張力γ1，則可以計(jì)算儀器常數(shù)3.系列濃度正丁醇水溶液表面張力的測(cè)定配制50mL濃度為0.0５、０．10、0.1５、0.2０、0.25、０．３0mol·L-1的系列正丁醇溶液,與測(cè)儀器常數(shù)相同的方法，按由稀到濃的順序測(cè)定各溶液最大壓力差,求出各溶液的表面張力γ。測(cè)定管每次應(yīng)用待測(cè)液淌洗一次。五．?dāng)?shù)據(jù)解決：數(shù)據(jù)記錄參考格式如下表(計(jì)算時(shí)注意單位換算）溫度：２4．6℃水的表面張力:0.07１９1N/m儀器常數(shù)K:０.1177溶液濃度/ｍoｌ·L-1壓力差Δp/ｋＰaγ/N·m-1(ｄγ／dc)TГ／mｏl·m-21２３平均值00．6110．6100.６110.6１10．０719１-0.19170０0．050.5200.522０．5２２0.52１0．０61３2-0.1624３3.２８×1０-6０．100.４79０.47９０.4７80．4７90.0５638-0.１3３16５.38×10-60．１50.4120．41１０.412０.4120．０484９－0.103896.30×10-6０.200.3８20.3８４0．38２0．3830.04508-0.074626．０3×1０-60.250.3５20.3５20.351０.3５20．０4143-0.0453５4.58×１0-６0.3００.3430.34２0．3420．3420.04０25-0.0１60８1．９５×1０-61.查出實(shí)驗(yàn)溫度下水的表面張力，計(jì)算儀器常數(shù)Ｋ。=0．０.０７19１/0．611=0．117７２.計(jì)算系列正丁醇溶液的表面張力,根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制γ—ｃ等溫線。3．由γ-ｃ等溫線作不同濃度的切線，求(dγ/dc)T,并求出Г，繪制Г—c吸附等溫線。六.注意事項(xiàng):１.所用毛細(xì)管必須干凈、干燥，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切。2.讀取壓力計(jì)的壓差時(shí),應(yīng)取氣泡單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。七.思考題：1．毛細(xì)管尖端為什么必須調(diào)節(jié)得恰與液面相切?假如毛細(xì)管端口插入液面有一定深度,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有何影響?答:假如將毛細(xì)管末端插入到溶液內(nèi)部,毛細(xì)管內(nèi)會(huì)有一段水柱，產(chǎn)生壓力Pˊ，則測(cè)定管中的壓力Ｐｒ會(huì)變小,△pmａx會(huì)變大，測(cè)量結(jié)果偏大。2.最大泡壓法測(cè)定表面張力時(shí)為什么要讀最大壓力差?假如氣泡逸出的不久,或幾個(gè)氣泡一齊出,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有無影響？答:假如毛細(xì)管半徑很小,則形成的氣泡基本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時(shí)，表面幾乎是平的,這時(shí)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，這時(shí)曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等，曲率半徑達(dá)最小值，根據(jù)拉普拉斯（Laplacｅ)公式,此時(shí)能承受的壓力差為最大:△pｍaｘ=p0-pr=２σ/γ。氣泡進(jìn)一步長(zhǎng)大,R變大，附加壓力則變小,直到氣泡逸出。最大壓力差可通過數(shù)字式微壓差測(cè)量?jī)x得到。如氣泡逸出速度速度太快，氣泡的形成與逸出速度快而不穩(wěn)定;致使壓力計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定，不易觀測(cè)出其最高點(diǎn)而