物化實(shí)驗(yàn)報(bào)告 溶液中的吸附作用和表面張力的測定

PAGE69PAGE63 最大氣泡壓力法測量溶液中的吸附作用和表面張力摘要：本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡法測量液體的表面張力。通過測量不同濃度下正丙醇的表面張力，計(jì)算吸附量，求出正丙醇分子的橫截面積。并探討了表面張力的性質(zhì)、表面吸附，加深對表面自由能的理解和表面活性劑的了解。關(guān)鍵詞：最大氣泡法表面張力吸附橫截面積引言在日常生活中,我們對見到的一些現(xiàn)象可能已經(jīng)習(xí)以為常，比如,下過雨后,我們可以見到樹葉、草上的小水珠都接近於球形；不小心打碎了體溫計(jì)后,里面的水銀掉到地上,小水銀滴也呈球形．其實(shí)這些現(xiàn)象都與表面張力有關(guān)．

液體與氣體相接觸時,會形成一個表面層,在這個表面層內(nèi)存在著的相互吸引力就是表面張力,它能使液面自動收縮．表面張力是由液體分子間很大的內(nèi)聚力引起的．處於液體表面層中的分子比液體內(nèi)部稀疏,所以它們受到指向液體內(nèi)部的力的作用,使得液體表面層猶如張緊的橡皮膜,有收縮趨勢,從而使液體盡可能地縮小它的表面面積．我們知道,球形是一定體積下具有最小的表面積的幾何形體．因此,在表面張力的作用下,液滴總是力圖保持球形,這就是我們常見的樹葉上的水滴按近球形的原因．表面張力與我們生活息息相關(guān)。

1、實(shí)驗(yàn)部分1．1實(shí)驗(yàn)原理：圖13-1表面分子和內(nèi)部分子的不同情況物體表面的分子和內(nèi)部分子所處的境況不同，因而能量也不同，如圖11－1，表面層的分子受到向內(nèi)的拉力，所以液體表面都有自動縮小的趨勢。如要把一個分子由內(nèi)部遷移到表面，就需要對抗拉力而作功，故表面分子的能量比內(nèi)部分子大。增加體系的表面，即增加了體系的總能量。體系產(chǎn)生新的表面（A）所需耗費(fèi)功（W）的量，其大小應(yīng)與A成正比。－W=A(12－1)如果A＝1m2，則－W＝，即在等溫下形成1m2新的表面所需的可逆功。故稱為單位表面的表面能，其單位為N·m-1。這樣就把2、在純液體情形下，表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此液體降低體系表面自由能的唯一途徑是盡可能縮小其表面積。對于溶液，由于溶質(zhì)會影響表面張力，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。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶液的表面張力時，表面層中溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部大，反之，溶質(zhì)使溶液的表面張力升高時，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低。這種表面濃度與溶液里面濃度不同的現(xiàn)象叫“吸附”。顯然，在指定溫度和壓力下，吸附與溶液的表面張力及溶液的濃度有關(guān)。Gibbs用熱力學(xué)的方法推導(dǎo)出它們間的關(guān)系式＝(12－2)式中，——?dú)庖灰航缑嫔系奈搅浚╩ol·m-2）；——溶液的表面張力（N·m-1）;T——絕對溫度（K）；c－溶液濃度（mol·m-3）；R——?dú)怏w常數(shù)（8.314J·mol-1·K-1）。當(dāng)時，>0，稱為正吸附。反之，時，<0，稱為負(fù)吸附。前者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力下降，此類物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)，后者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力升高，此類物質(zhì)叫非表面活性物質(zhì)。表面活性物質(zhì)具有顯著的不對稱結(jié)構(gòu)，它是由親水的極性部分和憎水的非極性部分構(gòu)成。對于有機(jī)化合物來說，表面活性物質(zhì)的極性部分一般為－NH3+，－OH，－SH，－COOH，－SO2OH。而非極性部分則為RCH2－。正丁醇就是這樣的分子。在水溶液表面的表面活性物質(zhì)分子，其極性部分朝向溶液內(nèi)部，而非極性部分朝向空氣。表面活性物質(zhì)分子在溶液表面的排列情形隨其在溶液中的濃度不同而有所差異。當(dāng)濃度極小時，溶質(zhì)分子平躺在溶液表面上，如圖11－2（a），濃度逐漸增加，分子排列如圖11－2（b），最后當(dāng)濃度增加到一定程度時，被吸附了的表面活性物質(zhì)分子占據(jù)了所有表面形成了單分子的飽和吸附層如圖11－2（c）。正丁醇是一種表面活性物質(zhì)，其水溶液的表面張力和濃度關(guān)系見圖11－3中的－c曲線，在－c曲線上作不同濃度c時的切線，把切線的斜率B()代入Gibbs吸附公式，可以求出不同濃度時氣－液界面上的吸附量。在一定溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir等溫方程式表示：圖11-2不同濃度時，溶質(zhì)分子在溶液表面的排列情況(12－3)為飽和吸附量，K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與溶質(zhì)的表面活性大小有關(guān)。將（3）式化成直線方程，則(12－4)圖11-3正丁醇水溶液的表面張力與濃度的關(guān)系圖若以～C作圖可得一直線，由直線斜率即可求出。假設(shè)在飽和吸附情況下，正丁醇分子在氣－液界面上鋪滿一單分子層，則可應(yīng)用下式求得正丁醇分子的橫截面積S0。11……(5)式中，－阿佛加德羅常數(shù)。3、最大氣泡壓力法測量表面張力的裝置示意圖如11－4。當(dāng)表面張力儀中的毛細(xì)管截面與欲測液面相齊時，液面沿毛細(xì)管上升。打開滴液漏斗的活塞，使水緩慢下滴而使體系內(nèi)的壓力增加，這時毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到一個比恒溫試管中液面上稍大的壓力，因此毛細(xì)管內(nèi)的液面緩緩下降。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)管口溶液的表面張力時，氣泡就從毛細(xì)管口逸出。這個最大的壓力差可由數(shù)字式微壓差測量儀上讀出。圖11－4最大氣泡法測表面張力裝置1、恒溫套管。2、毛細(xì)管（r在0.15～0.2mm3、數(shù)字式微壓差測量儀4、分液漏斗。5、塑料燒杯。6、連接橡皮管。如毛細(xì)管的半徑為r，氣泡由毛細(xì)管口逸出時受到向下的總作用力為r2P最大，而P最大＝P系統(tǒng)－P大氣壓＝hg式中，h－數(shù)字式微壓差測量儀上的讀數(shù)g－重力加速度－壓力計(jì)內(nèi)液體的密度氣泡在毛細(xì)管上受到表面張力引起的作用力為2r。氣泡自毛細(xì)管口逸出時，上述兩種力看作相等，即：11……(6)若用同一只毛細(xì)管和壓力計(jì)，在同一溫度下，對兩種溶液而言，則得：11……(7)式中為毛細(xì)管常數(shù)。用已知表面張力2的液體為標(biāo)準(zhǔn)，從（7）式可求出其他液體的表面張力1。1.2儀器與藥品：超級恒溫水浴1臺數(shù)字式微壓差測量儀1臺恒溫套管1支毛細(xì)管（半徑為0.15～0.2mm）1100mL容量瓶7個2mL移液管1支250mL分液漏斗1個500mL塑料燒杯1個正丁醇（分析純）1.3、實(shí)驗(yàn)步驟：1、毛細(xì)管常數(shù)的測定：按實(shí)驗(yàn)裝置圖裝好儀器，打開恒溫水浴，使其溫度穩(wěn)定于25℃。取一支浸泡在洗液中的毛細(xì)管依次次用自來水、蒸餾水反復(fù)清洗若干次，同樣把玻璃套管也清洗干凈，加上蒸餾水，插上毛細(xì)管，用套管下端的開關(guān)調(diào)節(jié)液面恰好與毛細(xì)管端面相切，使樣品在其中恒溫10分鐘。在分液漏斗中加入適量的自來水，注意切勿使體系漏氣。然后調(diào)節(jié)分液漏斗下的活塞使水慢慢滴下，這時體系壓力逐漸減小，直至氣泡由毛細(xì)管口冒出，細(xì)心調(diào)節(jié)出泡速度，使之在5－10秒鐘內(nèi)出一個。注意氣泡爆破前數(shù)字式微壓差測量儀的讀數(shù)，并用電腦采集數(shù)據(jù)得到最大的壓差值，求平均值而得。根據(jù)手冊查出25℃時水的表面張力為＝71.97×10-3N·m-1，以/h=K求出所使用的毛細(xì)管常數(shù)，此值控制在8cm2、不同濃度的正丁醇溶液表面張力的測定：用2mL移液管分別移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中，然后稀釋到刻度。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，按照由稀至濃的順序依次進(jìn)行測量。求得一系列濃度的正丁醇溶液的h。本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于溶液濃度的準(zhǔn)確性和所用毛細(xì)管、恒溫套管的清潔程度。因此除事先用熱的洗液清洗它們以外，每改變一次測量溶液必須用待測的溶液反復(fù)洗滌它們，以保證所測量的溶液表面張力與實(shí)際溶液的濃度相一致。并控制好出泡速度、平穩(wěn)地重復(fù)出現(xiàn)壓力差。而不允許氣泡一連串地出。洗滌毛細(xì)管時切勿碰破其尖端，影響測量。溫度對該實(shí)驗(yàn)的測量影響也比較大，實(shí)驗(yàn)中請注意觀察恒溫水浴的溫度，溶液加入測量管后恒溫10min后再進(jìn)行讀數(shù)測量。1.4實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：測定用的毛細(xì)管一定要先洗干凈，否則氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定地通過，而使壓力計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定。毛細(xì)管一定要垂直，管口要和液面剛好接觸。表面張力和溫度有關(guān)，因此要等溶液恒溫后再測量?？刂坪贸雠菟俣龋x取壓力計(jì)的壓力差時，應(yīng)取氣泡單個逸出時的最大壓力差。2.結(jié)果討論與分析2.1結(jié)果根據(jù)手冊查出25℃時水的表面張力為＝71.97×10-3N·m-1，水的平均壓差為：P=582.5pa,用公式K’=/P求出所使用的毛細(xì)管常數(shù)K’=71.97×10-3=6.83E-5N/m，正丙醇的分子橫截面積為S0=2.434E-19m2.查閱文獻(xiàn)，直鏈醇的分子橫截面積為2.74E-19~2.89E-19，取平均值為2.82E-19。偏差為13.7%。2.2相關(guān)曲線的討論1）由σ~c圖可知，正丁醇溶液的表面張力σ隨著其濃度的增加而逐漸降低，為正吸附，故正丁醇是一種表面活性物質(zhì)。當(dāng)正丁醇的濃度增大到一定值時，溶液的表面張力σ的隨濃度的變化較小，此時有可能已經(jīng)形成了單分子層的飽和吸附層；2）由Г-c圖可知，當(dāng)濃度較小時，隨著濃度的升高，吸附量逐漸增加。但濃度在0.15到0.2mol/l時表面吸附幾乎不變。當(dāng)濃度繼續(xù)升高時，吸附量繼續(xù)增加。分析原因，當(dāng)濃度較低時，表面分子數(shù)目未達(dá)到飽和，曲線呈上升趨勢。當(dāng)達(dá)到飽和時，曲線幾乎水平，表面吸附不隨濃度升高而增大。但當(dāng)濃度繼續(xù)增大時，在溶液中，溶質(zhì)分子聚集成團(tuán)，憎水基朝內(nèi)，親水基朝外，會增大溶質(zhì)的溶解度，也會使表面吸附升高。2.3誤差分析本次試驗(yàn)測得的正丁醇分子的橫截面積與理論值偏差為13.7%，誤差較?。徽`差來源主要有：①最大壓差△P值的測量誤差在每次改變測量溶液濃度之后，應(yīng)該用待測溶液反復(fù)清洗毛細(xì)管和恒溫套管，在實(shí)際操作中殘留是不可避免的，這樣使測量溶液的表面張力與實(shí)際溶液的濃度不一致，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差；2）實(shí)驗(yàn)要求毛細(xì)管底部與液面正好相切，并且毛細(xì)管完全的垂直，實(shí)際上這很難到達(dá)，而且實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)上也沒有明確的方法使我們做到這兩點(diǎn)；3）由于毛細(xì)管管徑很小，當(dāng)正丁醇濃度增大時，體系粘度變大，管壁上容易吸附正丁醇分子，使得氣泡冒出很不規(guī)則，造成數(shù)據(jù)波動很大；4）毛細(xì)管的粗細(xì)均勻程度及磨損程度都會對結(jié)果造成影響；5）出泡速度會影響△P值的讀數(shù)，而出泡速度并不能精確控制使得每次的速度相同，若氣泡產(chǎn)生速率偏快，會使測定最大壓力差值偏大，過慢則會偏?。?）裝置氣密性不好，有些許漏氣會使測定最大壓力差值偏小；7）其它系統(tǒng)誤差，如恒溫槽溫度的小幅變動。②數(shù)據(jù)處理1)我們在數(shù)據(jù)處理的過程中使用了濃度而不是活度。只有在稀溶液情況下，濃度才近似等于活度，而實(shí)驗(yàn)溶液的正丁醇濃度并不是很稀的，導(dǎo)致計(jì)算的；2）σ~c曲線擬合形式的不同會最終造成Γ~c圖及c/Г~c圖與理論情況的偏差。3.小結(jié)本次實(shí)驗(yàn)我學(xué)到了關(guān)于溶液表面張力的相關(guān)知識，并了解了最大氣泡法的相關(guān)操作。雖然實(shí)驗(yàn)操作步驟簡單，但造成誤差的因素較多，操作時要格外仔細(xì)。另外，調(diào)節(jié)氣泡使其均勻冒出且速度適中是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，我在第一組測量中遇到了較大的麻煩，經(jīng)過助教老師的幫助，我也漸漸掌握了調(diào)氣泡的要領(lǐng)，即先把氣泡調(diào)出來，然后關(guān)閉活塞使其穩(wěn)定，中途大概估計(jì)出泡時的壓力，再緩緩打開活塞，一直微調(diào)到壓力數(shù)在一定區(qū)間穩(wěn)定波動參考文獻(xiàn)崔獻(xiàn)英,柯燕雄,單紹純.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].中國科技大學(xué)出版社,2000:29~32.ThemaximumbubblepressuremethodofmeasuringadsorptionandsurfacetensioninthesolutionAbstract:Inthisstudy,themaximumbubblemethodtomeasurethesurfacetensionoftheliquid.Thecalculatedamountofadsorptionisobtainedbymeasuringthesurfacetensionofthedifferentconcentrationsofn-propanol,n-propanol,thecross-sectionalareaofthemolecule.Andexplorethenatureofthesurfacetension,surfaceadsorption,andabetterunderstandingofthesurfacefreeenergyofunderstandingandasurfaceactiveagent.Keywords:maximumbubble

SurfacetensionAdsorptionCross-sectionalarea附件：數(shù)據(jù)處理（見下頁）數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)記錄用origin對壓力差數(shù)據(jù)作圖，以水為例。從圖上連續(xù)讀取10個峰值，得到下表：水的壓力差曲線加入0.8ml正丙醇的壓力差曲線正丙醇加入量ml示數(shù)1示數(shù)2示數(shù)3示數(shù)4示數(shù)5示數(shù)6示數(shù)7示數(shù)8示數(shù)9示數(shù)100582.8582.7582.1582.3582.8582.6582.3582.1582.8582.30.4504.5505.2505.1504.5504.8504.7505.4505504.75050.8456.5456.6456.7456.3456.8456.6456.7456.6456.5456.21.2412.3413.4413.1413.3413.2413.4413.8413.4414.2413.71.6384.8384.4384.8384.1384.8384.9384.9384.8385.23852364.9363.9365.4365.2364.4364.7365364.5365.4364.52.4343.3343.3343.1343.5343.6344343.2343.7343.3343.32.8325.1325.5325.9327326.5326.2325.9325.7326326.6根據(jù)手冊查出25℃時水的表面張力為＝71.97×10-3N·m-1，水的平均壓差為：P=582.5pa,用公式K’=/P求出所使用的毛細(xì)管常數(shù)K’=71.97×10-3根據(jù)公式計(jì)算出各個濃度下正丙醇的表面張力如下表：正丙醇加入量ml正丙醇濃度mol/L平均壓力差表面張力N.m00582.50.07200.40.0437504.90.06260.80.0873456.60.05661.20.1311413.40.05131.60.1749384.80.047720.2186364.80.04522.40.