最大泡壓法測定溶液的表面張力

最大泡壓法測定溶液的表面張力最大泡壓法測定溶液的表面張力

一、實驗?zāi)康?.測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計算吸附量。2.了解氣液界面的吸附作用，計算表面層被吸附分子的截面積及吸附層的厚度。3.掌握最大氣泡法(或扭力天平)測定溶液表面張力的原理和技術(shù)。二、預(yù)習(xí)要求1.掌握最大氣泡法(或扭力天平)測定表面張力的原理，了解影響表面張力測定的因素。2.了解如何由表面張力的實驗數(shù)據(jù)求分子的截面積。3.掌握如何由實驗數(shù)據(jù)計算吸附量。三、實驗原理從熱力學(xué)觀點來看，液體表面縮小是一個自發(fā)過程，這是使體系總自由能減小的過程，欲使液體產(chǎn)生新的表面ΔA，就需對其做功，其大小應(yīng)與ΔA成正比:(1)如果ΔA為1m2，則-W′=σ是在恒溫恒壓下形成1m2新表面所需的可逆功，所以σ稱為比表面吉布斯自由能，其單位為J·m-2。也可將σ看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，稱為表面張力，其單位是N·m-1。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，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。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:(2)

最大氣泡法的儀器裝置如右圖所示:A為表面張力儀，其中間玻璃管F下端一段直徑為0.2mm～0.5mm的毛細管，B為充滿水的抽氣瓶，C為U型壓力計，內(nèi)盛比重較小的水或酒精、甲苯等，作為工作介質(zhì)，以測定微壓差。將待測表面張力的液體裝于表面張力儀中，使F管的端面與液面相切，液面即沿毛細管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，毛細管內(nèi)液面上受到一個比A瓶中液面上大的壓力，當(dāng)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:(7)式中，Δp為附加壓力；σ為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。如果毛細管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時，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:(8)實際測量時，使毛細管端剛與液面接觸，則可忽略氣泡鼓泡所需克服的靜壓力，這樣就可直接用上式進行計算。當(dāng)用密度為ρ的液體作壓力計介質(zhì)時，測得與Δp最大相適應(yīng)的最大壓力差為Δh最大則:(9)當(dāng)將合并為常數(shù)K時，則上式變?yōu)?(10)式中的儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測得。二、儀器藥品

1.儀器最大泡壓法表面張力儀1套;吸耳球1個；移液管(50mL和1mL)各1只;燒杯(500mL)只。2.藥品正丁醇(化學(xué)純);蒸餾水。三、實驗步驟

1.儀器準(zhǔn)備與檢漏將表面張力儀容器和毛細管先用洗液洗凈，再順次用自來水和蒸餾水漂洗，烘干后按圖Ⅲ-23-3按好。將水注入抽氣管中。在A管中用移液管注入50mL蒸餾水，用吸耳球由G處抽氣，調(diào)節(jié)液面，使之恰好與細口管尖端相切。然后關(guān)緊G處活塞，再打開活塞H，這時管B中水流出，使體系內(nèi)的壓力降低，當(dāng)壓力計中液面指示出若干厘米的壓差時，關(guān)閉H，停止抽氣。若2min～3min內(nèi)，壓力計液面高度差不變，則說明體系不漏氣，可以進行實驗。2.儀器常數(shù)的測量開H對體系抽氣，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為10s～20s(數(shù)顯微壓差測量儀為5s～10s)。若形成時間太短，則吸附平衡就來不及在氣泡表面建立起來，測得的表面張力也不能反映該濃度之真正的表面張力值。當(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓力計中液面差達到最大值，記錄壓力計兩邊最高和最低讀數(shù)，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)3.表面張力隨溶液濃度變化的測定在上述體系中，用移液管移入0.100mL正丁醇，用吸耳球打氣數(shù)次(注意打氣時，務(wù)必使體系成為敞開體系。否則，壓力計中的液體將會被吹出)，使溶液濃度均勻，然后調(diào)節(jié)液面與毛細管端相切，用測定儀器常數(shù)的方法測定壓力計的壓力差。然后依次加入0.200mL、0.200mL、0.200mL、0.500mL、0.500mL、1.00mL、1.00mL正丁醇，每加一次測定一次壓力差Δh最大。正丁醇的量一直加到飽和為止，這時壓力計的Δh最大值幾乎不再隨正丁醇的加入而變化。四、注意事項1.儀器系統(tǒng)不能漏氣。2.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。3.讀取壓力計的壓差時，應(yīng)取氣泡單個逸出時的最大壓力差。五、數(shù)據(jù)處理1.計算儀器常數(shù)K和溶液表面張力σ，繪制σ—C等溫線。2.作切線求Z，并求出Г，C/Г。3