實驗十一最大氣泡法測定溶液的表面張力

1、實驗十一 最大氣泡法測定溶液的表面張力11.1實驗?zāi)康?1.1.1 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(guān)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：-WV = odA(11.1)式中，o為比例常數(shù)。

2、o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，o稱為表面自由能，其單位是J- m-2。若把o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

3、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(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，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:RTr表面吸附量(mol m-2 )(T溶液表面張力(N m-1)T熱力學(xué)溫

4、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T對溶液濃度c作圖，可得到c c曲線，在c c曲線上任選一一 點I作切線，即可得該點所對應(yīng)濃度 ci的斜率(d Tdci)T，可求得不同濃度下的r值 和得出I c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)系由式中:Kc1 KcLan gmuir等溫式表示：(11.3)艮一表面飽和吸附量(mol m-2 )K 經(jīng)驗常數(shù)(與溶質(zhì)的表面活性大小有關(guān))將(11.3)式轉(zhuǎn)化成直線方程為：c c 1r r k r若以c/rc作圖可得一直線，由直線斜率可求出R(11.4)假若在飽和吸附的情況下，在氣液

5、界面上鋪滿一單分子層，則可應(yīng)用下式求得被測物質(zhì)的分子橫截面積So：(11.5)式中N為阿佛加德羅常數(shù)(6.022x 1023mol-1) 11.2.3最大泡壓法將被測液體裝于測定管中，使玻璃管下端毛細(xì)管端面與液面相切，液面沿毛 細(xì)管上升。打開分液漏斗的活塞，使水緩慢下滴而減少系統(tǒng)壓力。這樣毛細(xì)管內(nèi) 液面受到一比試管中液面上大的壓力，當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力 大于毛細(xì)管口液體的表面張力時，氣泡就從毛細(xì)管口逸出，這一最大壓力差可由 數(shù)字式微壓差測量儀讀出。其關(guān)系式為：pmax= p 大氣-p 系統(tǒng)=p(11.6)最丸氣泡法測定表面張力的裝置團L燒杯；2.旖液屏斗：左數(shù)字武黴壓差測量儀：

6、乩恒溫裝置帶育立營的誼肯；毛細(xì)営如果毛細(xì)管半徑為r，氣泡由毛細(xì)管口逸出時受到向下的總壓力為n2pmax。氣泡在毛細(xì)管受到的表面張力引起的作用力為2n Ob剛發(fā)生氣泡自毛細(xì)管逸出時，上述兩力相等，即：n2pmax= n2 p =2 n o(11.7)(=r p /2(11.8)若用同一根毛細(xì)管，對兩種具有表面張力為O和O的液體而言，則有下列關(guān)系：o= o p1/ p2=K p1(11.9)式中K為儀器常數(shù)。11.3實驗儀器和試劑恒溫裝置1套帶有支管的試管(附木塞)1支毛細(xì)管(半徑為0.150.02mm)1根容量瓶(50mL)8只數(shù)字式微壓差測量儀1臺燒杯(200mL)1只洗耳球1個移液管1支滴管

7、1支正丁醇(分析純)10.4 實驗步驟11.4.1將儀器洗滌干凈并按圖U -11-1裝置。對需干燥的儀器作干燥處理。1142調(diào)節(jié)恒溫為30C。1 1 .4.3正丁醇溶液配制：分別準(zhǔn)確配制 0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、 0.35mol.dm-3正丁醇溶液各100mL。(注：純正丁醇的加入量分別為：0.1482、0.3706、 0.7412、1.1118 1.4812、1.8530、2.2236、2.5942g,加水至近 100mL，在 30C恒 溫15min,用30C恒溫的蒸餾水加至100.00mL刻度)。11.4.4儀器常數(shù)測定： 先以蒸餾水作為待測液

8、測定其儀器常數(shù)。 方法是在測定管中 注入蒸餾水，將干燥的毛細(xì)管垂直地插到使毛細(xì)管的端點剛好與水面相切，置于 恒溫水浴內(nèi)恒溫10min。注意使毛細(xì)管保持垂直并注意液面位置， 然后按圖U -11-1 接好系統(tǒng)。打開滴液漏斗，控制滴液速度，使毛細(xì)管逸出的氣泡速度約為 5s10s1 個。在毛細(xì)管口氣泡逸出的瞬間最大壓差約在700Pa800Pa左右(否則需調(diào)換毛細(xì)管)。通過手冊查出實驗溫度時水的表面張力，利用公式 (11.9)，求出儀器常數(shù) K。 11.4.5待測樣品表面張力的測定， 用待測溶液洗凈試管和毛細(xì)管， 加入適量樣品于 試管中，按照儀器常數(shù)測定的方法，測定已知濃度的待測樣品的壓力差p ，代入公

9、式(1 1 .9)計算其表面張力。11.5實驗注意事項11.5.1 測定用的毛細(xì)管一定要洗干凈， 否則氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定地流過， 而使壓 差計讀數(shù)不穩(wěn)定，如發(fā)生此種現(xiàn)象，毛細(xì)管應(yīng)重洗。11.5.2毛細(xì)管一定要保持垂直，管口剛好與液面相切。11.5.3氣泡形成速度應(yīng)穩(wěn)定； 在數(shù)字式微壓差測量儀上， 應(yīng)讀出氣泡單個逸出時的 最大壓力差。11.6數(shù)據(jù)記錄及處理（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 C；實驗溫度 30.00 C；大氣壓 96.18 kPa100ml容量瓶1#2#3#4#5#6#7#8#V正丁醇/ml0.20000.50001.0001.50

10、02.0002.5003.0003.500c 正丁醇=p正丁醇 V 正丁醇/M 正丁醇/(100 X10-3) /mol dm-3, M 正丁醇=74.12g mol-1, p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 C；實驗溫度 30.00 C；大氣壓 96.18 kPa待測物質(zhì)PH2O /Pa(T/N m-1儀器常數(shù)K/N m-1 Pa-1123平均值H2O6936926926927.118 X0-29.452

11、9 X0-5計算公式： K= ho/ PH2O （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 C；實驗溫度 30.00 C；大氣壓 96.18 kPa正丁醇濃度/mol m-3A p/PaT/N m-1123平均值21.856846826836830.0645654.636496506496490.06135109.35725745735730.05416163.95215215225210.04925218.54814804824810.04547273.14464464464460.04216327.84194204204200

12、.03970382.44034024024020.0380011.6.4作c圖，求出曲線上不同濃度c點處的（？c）t,p，并計算相應(yīng)濃度的 r0.0650.0600.05510.050(X0.0450.0400.035(T =0.06769-0.1362C+0.15426c2050100150200250300350400-3c/mol m圖1.小關(guān)系曲線圖曲線擬合方程：(= 0.06769-1.36212 W-4c+1.54201 10-7c2(N?n-1)(? *?c)t,p=-1.36212 W-4+2X1.54201 TO-7c(N?n2?nol-1)r= -c/8.3145/303.

13、15 d /dc(mol m-2)表3.正丁醇溶液表面張力的計算室溫 25.00 C；實驗溫度30.00 C；大氣壓 96.18 kPa正丁醇濃度/mol m-3(T/N m-1-(? T?c)t,p /N m2 mol-1r/ mol m-2c/ r /m-150.000.0612612.1 X0-52.40 10-62.09 107100.00.0556110.5 X0-54.18 10-62.39 107150.00.050739.00 X0-55.35 10-62.80 107200.00.046627.45 10-5_65.91 10 63.38 107250.00.043275.9

14、1 10-55.86 10-64.26 107300.00.040704.37 10-55.20 10-65.77 107圖2. c/rc關(guān)系直線圖直線斜率 k=1/r=1.729X 105m2mol-1, r=5.784X 10-6 m-2 mol-111.6.5求乙醇分子的橫截面積So。S0=1/L r=1.729X 105/(6.022X 1023)=0.287X 10-18m2=0.287 nm2 (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 C；實驗溫度 30.00 C；大氣壓 96.18 kPa容量瓶編號1#2#3#4#5#6#7#8#m乙醇/g4.

15、28878.914811.18418.02624.39630.18534.96544.389c 乙醇=m 乙醇/M 乙醇/(100x 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)的測定計算公式： K= 応0/ PH2O (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 C；實驗溫度 30.00 C；大氣壓 96.18 kPa乙醇濃度/103mo|. m-3A

16、 p/PaT/N m-1123平均值0.93097927947937930.054381.93516726726726720.046082.42766356356356350.043543.91275355355355350.036695.29544744744744740.032506.55184364364364360.029907.58954174174174170.028609.63513853853853850.02640室溫 25.00 C；實驗溫度 30.00 C；大氣壓 96.18 kPa待測物質(zhì)PH2O /Pa(T/N m-1儀器常數(shù)K/N m-1 Pa-1123平均值H2O

17、10381038103810387.118 X0-26.857 x 10-5911.5.4作c圖，求出曲線上不同濃度c點處的(？c)t,p，并計算相應(yīng)濃度的 r0.0650.0600.0551mNa0.0500.0450.040o=0.06769-0.1362 c+0.15426 C0.0350.00 0.050.10 0.15 0.200.25 0.30 0.35 0.40-3c/mol m圖1. aC關(guān)系曲線圖曲線擬合方程:(=0.06769-0.1362:+ 0.15426c2(? a?c)p=-0.1362+2 8.15426sr= -c/8.3145/303.15 d /dc(mol

18、 m-2)表3.乙醇溶液表面張力的計算室溫 25.00 C；實驗溫度 30.00 C；大氣壓 96.18 kPa乙醇濃度/mol m-3a/N.m-1-(? a?c)T,p /N m2 mol-1r/ mol m-2c/ r /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.