實驗十一-最大氣泡法測定溶液的表面張力報告

PAGEPAGE4實驗十一最大氣泡法測定溶液的表面張力11.1實驗目的11.1.1測定不同濃度正丁醇水溶液的表面張力，計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系；11.1.3掌握用最大泡壓法測定表面張力的原理和技術(shù)。11.2實驗原理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縮小趨勢。如果把一個分子由內(nèi)部遷移到表面，就需要對抗拉力而做功。在溫度、壓力和組成恒定時，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T、p和組成恒定的條件下增加單位表面積時所必須對體系做的可逆非膨脹功，也可以說是每增加單位表面積時體系自由能的增加值。環(huán)境對體系作的表面功轉(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。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。對于溶液則由于溶質(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，表面層中溶質(zhì)的濃度應比溶液的內(nèi)部來得大；反之溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時，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。從熱力學方法可知它們之間的關系遵守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—熱力學溫度(K)c—溶液濃度(mol·m-3)R—氣體常數(shù)(8.3145J.K-1.mol-1)。以表面張力σ對溶液濃度c作圖，可得到σ—c曲線，在σ—c曲線上任選一點I作切線，即可得該點所對應濃度ci的斜率(dσ/dci)T,可求得不同濃度下的Γ值和得出Γ—c的關系圖。在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關系由Langmuir等溫式表示：(11.3)式中：Γ∞—表面飽和吸附量(mol·m-2)K—經(jīng)驗常數(shù)(與溶質(zhì)的表面活性大小有關)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Γ∞。假若在飽和吸附的情況下，在氣液界面上鋪滿一單分子層，則可應用下式求得被測物質(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)實驗數(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℃；實驗溫度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)的測定表2.儀器常數(shù)的測定室溫25.00℃；實驗溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa待測物質(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定表3.正丁醇溶液表面張力的測定室溫25.00℃；實驗溫度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點處的(?σ/?c)T,p，并計算相應濃度的Γ。圖1.σ~c關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算室溫25.00℃；實驗溫度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關系直線圖直線斜率k=1/?！?1.729×105m2·mol-1，?！?5.784×10-6m-2·mol-111.6.5求乙醇分子的橫截面積S0。S0=1/L?！?1.729×105/(6.022×1023)=0.287×10-18m2=0.287nm2(二)實驗數(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℃；實驗溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa容量瓶編號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)的測定表2.儀器常數(shù)的測定室溫25.00℃；實驗溫度30.00℃；大氣壓96.18kPa待測物質(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計算公式：K=σH2O/DpH2O(N·m-1·Pa-1)11.5.3乙醇溶液表面張力的測定表3.乙醇溶液表面張力的測定室溫25.00℃；實驗溫度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點處的(?σ/?c)T,p，并計算相應濃度的Γ。圖1.σ~c關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算室溫25.00℃；實驗溫度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關系直線圖直線斜率k=1/?！?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