實(shí)驗(yàn)十一-最大氣泡法測(cè)定溶液的表面張力報(bào)告

PAGEPAGE4實(shí)驗(yàn)十一最大氣泡法測(cè)定溶液的表面張力11.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.1.1測(cè)定不同濃度正丁醇水溶液的表面張力，計(jì)算表面吸附量和正丁醇分子的橫截面積；11.1.2了解表面張力的性質(zhì)，表面自由能的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系；11.1.3掌握用最大泡壓法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)。11.2實(shí)驗(yàn)原理11.2.1表面自由能物體表面分子和內(nèi)部分子所處的境遇不同，表面分子受到向內(nèi)的拉力，所以液體表面都有自動(dòng)縮小趨勢(shì)。如果把一個(gè)分子由內(nèi)部遷移到表面，就需要對(duì)抗拉力而做功。在溫度、壓力和組成恒定時(shí)，可逆地使表面增加dA所需做的功，叫表面功，可表示為：-δW′=σdA(11.1)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表面積時(shí)所必須對(duì)體系做的可逆非膨脹功，也可以說是每增加單位表面積時(shí)體系自由能的增加值。環(huán)境對(duì)體系作的表面功轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻鎸臃肿颖葍?nèi)部分子多余的自由能。因此，σ稱為表面自由能，其單位是J·m-2。若把σ看作為作用于每單位長度邊緣上的力，通常稱為表面張力。從另外一方面考慮表面現(xiàn)象，特別是觀察氣液界面的一些現(xiàn)象，可以覺察到表面上處處存在著一種張力，它力圖縮小表面積，此力稱為表面張力，其單位是N·m-1。表面張力是液體的搬弄是重要特性之一。與所處的溫度、壓力、濃度以及共存的另一相的組成有關(guān)。純液體的表面張力通常是指該液體與飽和了其本身蒸氣的空氣共存的情況而言。11.2.2溶液的表面吸附純液體表面層的組成與內(nèi)部組成層相同，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(duì)于溶液則由于溶質(zhì)會(huì)影響表面張力，因此可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面的濃度來降低表面自由能。根據(jù)能量最低原則，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時(shí)，表面層中溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液的內(nèi)部來得大；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)部的濃度來得低，這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系遵守Gibbs吸附方程：(11.2)式中：?！砻嫖搅?mol·m-2)σ—溶液表面張力(N·m-1)T—熱力學(xué)溫度(K)c—溶液濃度(mol·m-3)R—?dú)怏w常數(shù)(8.3145J.K-1.mol-1)。以表面張力σ對(duì)溶液濃度c作圖，可得到σ—c曲線，在σ—c曲線上任選一點(diǎn)I作切線，即可得該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)濃度ci的斜率(dσ/dci)T,可求得不同濃度下的Γ值和得出?！猚的關(guān)系圖。在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir等溫式表示：(11.3)式中：?！蕖砻骘柡臀搅?mol·m-2)K—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(與溶質(zhì)的表面活性大小有關(guān))將(11.3)式轉(zhuǎn)化成直線方程為：(11.4)若以c/Γ~c作圖可得一直線，由直線斜率可求出?！蕖＜偃粼陲柡臀降那闆r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)的分子橫截面積S0：(11.5)式中為阿佛加德羅常數(shù)(6.022×1023mol-1)。11.2.3最大泡壓法(一)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)11.6.1正丁醇溶液的配制表1.正丁醇溶液的配制室溫25.00℃；實(shí)驗(yàn)溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa100ml容量瓶1#2#3#4#5#6#7#8#V正丁醇/ml0.20000.50001.0001.5002.0002.5003.0003.500c正丁醇=ρ正丁醇V正丁醇/M正丁醇/(100×10-3)/mol·dm-3，M正丁醇=74.12g·mol-1,ρ正丁醇=0.8098g?dm-3c正丁醇/mol·dm-30.021850.054630.10930.16390.21850.27310.32780.382411.6.2儀器常數(shù)的測(cè)定表2.儀器常數(shù)的測(cè)定室溫25.00℃；實(shí)驗(yàn)溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa待測(cè)物質(zhì)DpH2O/Paσ/N·m-1儀器常數(shù)K/N·m-1·Pa-1123平均值H2O6936926926927.118×10-29.4529×10-5計(jì)算公式：K=σH2O/DpH2O(N·m-1·Pa-1)11.6.3正丁醇溶液表面張力的測(cè)定表3.正丁醇溶液表面張力的測(cè)定室溫25.00℃；實(shí)驗(yàn)溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa正丁醇濃度/mol·m-3Δp/Paσ/N·m-1123平均值21.856846826836830.0645654.636496506496490.06135109.35725745735730.05416163.95215215225210.04925218.54814804824810.04547273.14464464464460.04216327.84194204204200.03970382.44034024024020.0380011.6.4作σ~c圖，求出曲線上不同濃度c點(diǎn)處的(?σ/?c)T,p，并計(jì)算相應(yīng)濃度的Γ。圖1.σ~c關(guān)系曲線圖曲線擬合方程：σ=0.06769-1.36212×10-4c+1.54201×10-7c2(N?m-1)(?σ/?c)T,p=-1.36212×10-4+2×1.54201×10-7c(N?m2?mol-1)Γ=-c/8.3145/303.15×dσ/dc(mol·m-2)表3.正丁醇溶液表面張力的計(jì)算室溫25.00℃；實(shí)驗(yàn)溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa正丁醇濃度/mol·m-3σ/N·m-1-(?σ/?c)T,p/N·m2·mol-1Γ/mol·m-2c/Γ/m-150.000.0612612.1×10-52.40×10-62.09×107100.00.0556110.5×10-54.18×10-62.39×107150.00.050739.00×10-55.35×10-62.80×107200.00.046627.45×10-55.91×10-63.38×107250.00.043275.91×10-55.86×10-64.26×107300.00.040704..37×10-55.20×10-65.77×107圖2.c/Γ~c關(guān)系直線圖直線斜率k=1/?！?1.729×105m2·mol-1，Γ∞=5.784×10-6m-2·mol-111.6.5求乙醇分子的橫截面積S0。S0=1/LΓ∞=1.729×105/(6.022×1023)=0.287×10-18m2=0.287nm2(二)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)11.5.1乙醇溶液的配制表1.乙醇溶液的配制室溫25.00℃；實(shí)驗(yàn)溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa容量瓶編號(hào)1#2#3#4#5#6#7#8#m乙醇/g4.28878.914811.18418.02624.39630.18534.96544.389c乙醇=m乙醇/M乙醇/(100×10-3)/mol·dm-3，M乙醇=46.08g.·mol-1c乙醇/mol·dm-30.93091.93512.42763.91275.29546.55207.58959.635111.5.2儀器常數(shù)的測(cè)定表2.儀器常數(shù)的測(cè)定室溫25.00℃；實(shí)驗(yàn)溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa待測(cè)物質(zhì)DpH2O/Paσ/N·m-1儀器常數(shù)K/N·m-1·Pa-1123平均值H2O10381038103810387.118×10-26.857×10-5計(jì)算公式：K=σH2O/DpH2O(N·m-1·Pa-1)11.5.3乙醇溶液表面張力的測(cè)定表3.乙醇溶液表面張力的測(cè)定室溫25.00℃；實(shí)驗(yàn)溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa乙醇濃度/103mol.·m-3Δp/Paσ/N·m-1123平均值0.93097927947937930.054381.93516726726726720.046082.42766356356356350.043543.91275355355355350.036695.29544744744744740.032506.55184364364364360.029907.58954174174174170.028609.63513853853853850.0264011.5.4作σ~c圖，求出曲線上不同濃度c點(diǎn)處的(?σ/?c)T,p，并計(jì)算相應(yīng)濃度的Γ。圖1.σ~c關(guān)系曲線圖曲線擬合方程：σ=0.06769-0.1362c+0.15426c2(?σ/?c)T,p=-0.1362+2×0.15426cΓ=-c/8.3145/303.15×dσ/dc(mol·m-2)表3.乙醇溶液表面張力的計(jì)算室溫25.00℃；實(shí)驗(yàn)溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa乙醇濃度/mol·m-3σ/N.m-1-(?σ/?c)T,p/N·m2·mol-1Γ/mol·m-2c/Γ/m-11.000×1030.0540811.31×10-54.487×10-62.228×1081.500×1030.049268.352×10-54.970×10-63.018×1082.000×1030.045606.540×10-55.189×10-63.854×1082.500×1030.042675.363×10-55.319×10-64.700×1083.000×1030.040234.546×10-55.411×10-65.544×1083.500×1030.038133.941×10-55.473×10-66.395×1084.000×1030.036303.467×10-55.501×10-67.271×1084.500×1030.034693.077×10-55.493×10-68.193×1085.000×1030.033252.745×10-55.446×10-69.181×1085.500×1030.031962.458×10-55.364×10-610.25×108圖2.c/Γ~c關(guān)系直線圖直線斜率k=1/Γ∞=1.765×105m2·mol-1，?！?5.665×10-6m-2·mol-111.5.5求乙醇分子的橫截面積S0。S0=1/L?！?1.765×10