實驗十七最大泡壓法測定溶液的表面張力

實驗十七最大泡壓法測定溶液的表面張力第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

最大泡壓法測定溶液的表面張力

實驗目的實驗原理儀器藥品實驗步驟數(shù)據(jù)處理評注啟示提問思考第2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

最大泡壓法測定溶液的表面張力-實驗目的

1）掌握最大泡壓法測定表面張力的原理，了解影響表面張力測定的因素。2）了解彎曲液面下產(chǎn)生附加壓力的本質(zhì)，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等溫式，了解蘭格繆爾單分子層吸附公式的應(yīng)用。3）測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計算飽和吸附量,由表面張力的實驗數(shù)據(jù)求正丁醇分子的截面積及吸附層的厚度。第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月最大泡壓法測定溶液的表面張力-實驗原理1表面張力的產(chǎn)生2彎曲液面下的附加壓力3毛細現(xiàn)象4最大泡壓法測定溶液的表面張力5溶液中的表面吸附第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

表面張力的產(chǎn)生

在液體的內(nèi)部任何分子周圍的吸引力是平衡的。但在液體表面層的分子卻不相同。如圖所示：在液體表面層中，每個分子都受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡力（如圖所示）。這種吸引力有使表面積最小的趨勢，要使液體表面積增大就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功以增加分子位能。所以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。第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

表面張力的產(chǎn)生

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ΔG稱為單位表面的表面能，其單位為J．m-3。而把液體限制其表面增大以及力圖使它收縮的單位直線長度上所作用的力，稱為表面張力，其單位是Nm-1。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。第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

表面張力的產(chǎn)生

在任何兩相界面處都存在表面張力。表面張力的方向是與界面相切，垂直作用于某一邊界，方向指向使表面積縮小的一側(cè)。液體的表面張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，表面張力愈小。到達臨界溫度時，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。液體的表面張力與液體的純度有關(guān)。在純凈的液體（溶劑）中如果摻進雜質(zhì)（溶質(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。由于表面張力的存在，產(chǎn)生很多特殊界面現(xiàn)象。第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

彎曲液面下的附加壓力

由于表面張力的作用，彎曲表面下的液體或氣體與在平面下情況不同，前者受到附加的壓力。如果液面是水平的，則表面張力也是水平的，平衡時，沿周界的表面張力互相抵消，此時液體表面內(nèi)外壓力相等，且等于表面上的外壓力Po。若液面是彎曲的，平衡時表面張力將產(chǎn)生一合力Ps，而使彎曲液面下的液體所受實際壓力與Po不同。當液面為凸形時，合力指向液體內(nèi)部，液面下的液體受到的實際壓力為；當液面為凹形時，合力指向液體外部，液面下的液體受到的實際壓力為。這一合力PS，即為彎曲表面受到的附加壓力，附加壓力的方向總是指向曲率中心。第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月彎曲液面下的附加壓力附加壓力與表面張力的關(guān)系用拉普拉斯方程表示：式中σ為表面張力，R為彎曲表面的曲率半徑，該公式是拉普拉斯方程的特殊式，適用于當彎曲表面剛好為半球形的情況。第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象則是彎曲液面下具有附加壓力的直接結(jié)果。假設(shè)溶液在毛細管表面完全潤濕，且液面為半球形，則由拉普拉斯方程以及毛細管中升高（或降低）的液柱高度所產(chǎn)生的壓力P=gh，通過測量液柱高度即可求出液體的表面張力。這就是毛細管上升法測定溶液表面張力的原理。此方法要求管壁能被液體完全潤濕，且液面呈半球形。第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月最大泡壓法測定溶液的表面張力實際上，最大泡壓法測定溶液的表面張力是毛細管上升法的一個逆過程。其裝置圖如17-3

所示

，將待測表面張力的液體裝于表面張力儀中，使毛細管的端面與液面相切，由于毛細現(xiàn)象液面即沿毛細管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，系統(tǒng)減壓，毛細管內(nèi)液面上受到一個比表面張力儀瓶中液面上（即系統(tǒng)）大的壓力，當此壓力差——附加壓力(Δp＝p大氣－p系統(tǒng))在毛細管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細管口液體的表面張力時，氣泡就從毛細管口脫出，此附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關(guān)系式為拉普拉斯公式：第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月最大泡壓法測定溶液的表面張力圖17-3最大氣泡法表面張力測定裝置1-抽氣瓶，2-支管試管，3-毛細管，4-恒溫槽，5-壓差計第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月最大泡壓法測定溶液的表面張力如果毛細管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當氣泡開始形成時，表面幾乎是平的，這時曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時曲率半徑R和毛細管半徑r相等，曲率半徑達最小值，根據(jù)上式這時附加壓力達最大值，氣泡形成過程如圖17-4所示。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。根據(jù)上式，R＝r時的最大附加壓力為：

圖17-4氣泡長大過程第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月最大泡壓法測定溶液的表面張力對于同一套表面張力儀，毛細管半徑r，測壓液體密度、重力加速度都為定值，因此為了數(shù)據(jù)處理方便，將上述因子放在一起，用儀器常數(shù)K來表示，上式簡化為：式中的儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標準物質(zhì)測得，通常用純水來標定。第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

溶液中的表面吸附-吸附現(xiàn)象的發(fā)生

在定溫下純液體的表面張力為定值，只能依靠縮小表面積來降低自身的能量。而對于溶液，既可以改變其表面張力，也可以減小其面積來降低溶液表面的能量。通常以降低溶液表面張力的方法來降低溶液表面的能量。當加入某種溶質(zhì)形成溶液時，表面張力發(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。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時，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，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低，這種表面濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月溶液中的表面吸附-吉布斯吸附方程：

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：式中，Г為溶質(zhì)在表層的吸附量；σ為表面張力；C為吸附達到平衡時溶質(zhì)在溶液中的濃度。第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月溶液中的表面吸附-吸附量的計算當界面上被吸附分子的濃度增大時，它的排列方式在改變著，最后，當濃度足夠大時，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層。這樣的吸附層是單分子層，隨著表面活性物質(zhì)的分子在界面上愈益緊密排列，則此界面的表面張力也就逐漸減小。第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月溶液中的表面吸附---吸附量的計算以表面張力對濃度作圖，可得到σ-C曲線。開始時σ隨濃度增加而迅速下降，以后的變化比較緩慢。在σ-C曲線上任選一點a作切線，得到在該濃度點的斜率經(jīng)，代入吉布斯吸附等溫式，得到該濃度時的表面超量（吸附量），同理，可以得到其他濃度下對應(yīng)的表面吸附量，以不同的濃度對其相應(yīng)的Г可作出曲線，Г＝f（C)稱為吸附等溫線。圖17-6表面張力和濃度關(guān)系第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月溶液中的表面吸附--被吸附分子截面積計算飽和吸附量Г∞：對于正丁醇的吸附等溫線，滿足隨濃度增加，吸附量開始顯著增加，到一定濃度時，吸附量達到飽和，因此可以從吸附等溫線得到正丁醇的飽和吸附量Г∞。也可以假定正丁醇在水溶液表面滿足單分子層吸附。根據(jù)朗格謬爾(Langmuir)公式：

Г∞為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時的Г，

以C/Г對C作圖，得一直線，該直線的斜率為1/Г∞。被吸附分子的截面積：So=1/(Г∞N)(N為阿佛加得羅常數(shù))。吸附層厚度：溶質(zhì)的密度ρ，分子量M。第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

儀器與試劑

最大泡壓法表面張力儀1套；吸耳球1個；移液管(50mL，1支、1mL，1支)；燒杯(500mL，1只)；溫度計1支。正丁醇(AR)；蒸餾水。第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

實驗步驟

1)儀器準備與檢漏將表面張力儀容器和毛細管洗凈、烘干。在恒溫條件下將一定量蒸餾水注入表面張力儀中，調(diào)節(jié)液面，使毛細管口恰好與液面相切。打開抽氣瓶活塞，使體系內(nèi)的壓力降低，當U型管測壓計兩端液面出現(xiàn)一定高度差時，關(guān)閉抽氣瓶活塞，若2～3min內(nèi)，壓差計的壓差不變，則說明體系不漏氣，可以進行實驗。2）儀器常數(shù)的測量打開抽氣瓶活塞，調(diào)節(jié)抽氣速度，使氣泡由毛細管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間約為5～10s。當氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓差計顯示最大壓差時，記錄最大壓力差，連續(xù)讀取三次，取其平均值。再由手冊中，查出實驗溫度時，水的表面張力σ，則儀器常數(shù)第21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗步驟3）表面張力隨溶液濃度變化的測定

用移液管分別移取0.0500mL，0.150mL，0.300mL，0.600mL，0.900mL，1.50mL，2.50mL，3.50mL，4.50mL正丁醇，移入9個50mL的容量瓶，配制成一定濃度的正丁醇溶液。然后由稀到濃依次移取一定量的正丁醇溶液，按照步驟2所述，置于表面張力儀中測定某濃度下正丁醇溶液的表面張力。隨著正丁醇濃度的增加，測得的表面張力幾乎不再隨濃度發(fā)生變化。第22頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)據(jù)處理

1）計算儀器常數(shù)K和不同濃度正丁醇溶液的表面張力σ，繪制σ-C等溫線。2）根據(jù)吉布斯吸附等溫式，求出Г，C/Г。3）繪制Г-C，C/Г-C等溫線，求飽和吸附量Г∞，并計算正丁醇分子截面積So和吸附單分子層厚度δ。第23頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

實驗評注與拓展

本實驗成功的關(guān)鍵：儀器系統(tǒng)不能漏氣；所用毛細管必須干凈、干燥，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切；讀取壓差計的壓差時，應(yīng)取氣泡單個逸出時的最大壓力差；氣泡逸出速度不能過快。測定表面張力有很多種方法，如前述毛細管上升法，最大氣泡法，還有滴重法、吊環(huán)法等。最大氣泡法雖然具有裝置簡單、操作容易、測定迅速等優(yōu)點，但其最大缺點是測量精度不夠理想，是一個動態(tài)的測定方法。不過，最大氣泡法已被成功應(yīng)用于一些粘度較大的液體、熔鹽等體系的表面張力的測定。這是其它方法不能代替的。

第24頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

提問與思考

1）系統(tǒng)檢漏過程中，U型管測壓計兩端液面出現(xiàn)高度差，測量溶液的表面張力時也是在存在此高度