測定正丁醇溶液中的吸附作用和表面張力

1、 測定正丁醇溶液中的吸附作用和表面張力 最大氣泡壓力法 PB10。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)系 摘要： 本實(shí)驗(yàn)利用最大氣泡壓力法測定了液體表面張力，即測定氣體從毛細(xì)管口逸出時(shí)的氣壓，此時(shí)氣壓的作用力略大于毛細(xì)管口溶液的表面張力；并通過對不同濃度下表面活性物質(zhì)正丙醇溶液的表面張力和濃度之間的關(guān)系，求得溶液界面上的吸附量和單個(gè)正丁醇分子的截面積。關(guān)鍵詞： 吸附作用 表面張力 最大氣泡壓力法 表面活性物質(zhì)序言： 液體表面的分子和內(nèi)部的分子所處的環(huán)境不同，因此能量也不同。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶液的表面張力時(shí)，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(shí)，它在表面層中的濃度

2、比在內(nèi)部的濃度低。表面張力就是內(nèi)部分子對表面分子的作用力，它是液體的重要屬性之一，與所處的溫度、壓力、液體的組成共存的另一面的組成等因素都有關(guān)。對于溶液，由于溶質(zhì)會(huì)影響表面張力，因此可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的濃度來降低表面自由能。本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡法法測定液體不同濃度條件下的表面張力，由此計(jì)算溶液的表面自由能、最大吸附量、表面活性物質(zhì)正丁醇的橫截面積，并驗(yàn)證了表面化學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)理論。實(shí)驗(yàn)部分：1、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1. 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： 在已知 與c關(guān)系式和c、T值后可以求得吸附量 。 2.在一定溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由

3、Langmuir等溫式表示： 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)。將上式轉(zhuǎn)化為直線方程，有： 若以c做圖可得一條直線，由直線斜率可得。在飽和吸附的情況下，正丁醇分子在氣液界面上鋪滿一層單分子層，則可用下式來求正丁醇分子的橫截面積： 3. 最大氣壓法測微壓差： 當(dāng)表面張力儀中的毛細(xì)管截面與欲測液面相齊時(shí)，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(shí)毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到一個(gè)比恒溫試管中液面上稍大的壓力，因此毛細(xì)管內(nèi)的液面緩慢下降。當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用里稍大于毛細(xì)管口溶液的表面張力時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口逸出。這個(gè)最大壓力差可以從微壓差測量

4、儀上讀出。如毛細(xì)管的半徑為r，氣泡由毛細(xì)管口逸出時(shí)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Dhrg 若用同一支毛細(xì)管和同個(gè)壓力計(jì)，在同一個(gè)溫度下，對兩種溶液而言，則得 因此，可以求得不同濃度的值，并作出-c曲線，擬合得兩者關(guān)系式，轉(zhuǎn)而解決了1.中的問題。2、 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑 CS501型超級恒溫水浴(重慶試驗(yàn)設(shè)備廠);DMP-2B型數(shù)字式微壓差測量儀(南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所);恒溫套管;水泵;毛細(xì)管（半徑為0.150.2mm），浸泡于鉻酸洗液中; 100ml容量瓶（7只）;2ml移液管（1支）;正丁醇溶液（分析純）。三、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

5、恒溫水浴，使其溫度穩(wěn)定于30。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(shí)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510秒鐘內(nèi)出一個(gè)。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(shí)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)，

6、此值控制在8cm左右為宜，否則毛細(xì)管太粗誤差較大，毛細(xì)管太細(xì)，易堵塞，氣泡很難逸出。 本實(shí)驗(yàn)裝置圖 2、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。結(jié)果討論：1、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果1）毛細(xì)管常數(shù)K = 0.0981m。2）表面張力與溶液濃度c的關(guān)系： =411.44c²-215.04c+71.8033）極限吸附量= 5.37*10-6mol/m2。4) 正丁醇

7、分子的橫截面積 S0=0.309（nm2 ） 而文獻(xiàn)值各種直鏈醇的分子截面積為0.2740.289nm2，而本實(shí)驗(yàn)中測得為0.309 nm2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近，偏大。c圖、c圖、c/c圖詳見后文數(shù)據(jù)處理二、誤差分析：本次試驗(yàn)測得的正丁醇分子的橫截面積比理論值偏大；-c、c/-c圖與理論曲線大體吻合。本實(shí)驗(yàn)的誤差來源主要有：（1） 表面張力測量誤差：1）由于毛細(xì)管管徑很小，當(dāng)正丁醇濃度增大時(shí)，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(dòng)很大；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)管完全垂直，但由于人眼分辨的差異等影響，這很難做到；且每次測量過程的相切情況各不相

8、同。 3）毛細(xì)管的粗細(xì)及磨損程度會(huì)對結(jié)果造成影響；毛細(xì)管太粗則誤差較大，過細(xì)則易阻塞，氣泡難以逸出；4）出泡速度會(huì)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；而且在測量過程中偶爾出現(xiàn)氣泡很難逸出的情況，造成壓強(qiáng)測量值偏大； 5）其它系統(tǒng)誤差，如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；恒溫槽溫度的小幅變動(dòng)；裝置氣密性不好，有些許漏氣會(huì)使測定最大壓力差值偏小。（2） 數(shù)據(jù)處理帶來的誤差1) 在數(shù)據(jù)處理的過程中已經(jīng)舍去了一些不好的點(diǎn)，因而結(jié)果帶有一定的主觀性。2)

9、實(shí)驗(yàn)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；導(dǎo)致計(jì)算的正丁醇分子截面積偏差較大。這一點(diǎn)從-c圖上明顯可以看出，在濃度變大后曲線有明顯的下降，與理論曲線存在較大的出入；2）c曲線擬合形式（即選擇的多項(xiàng)式級次）的不同會(huì)造成c圖及 c/c圖與理論情況的偏差。 三、小結(jié)1）本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡法測定液體不同濃度條件下的表面張力，由此計(jì)算溶液的表面自由能、最大吸附量、表面活性物質(zhì)正丁醇的橫截面積，并驗(yàn)證了表面化學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)理論。 2）實(shí)驗(yàn)操作步驟簡單，但造成誤差的因素較多，操作時(shí)要格外仔細(xì)：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

10、要盡量垂直，管口要和液面剛好接觸，否則測得的數(shù)據(jù)將不只是液體表面的張力，還有插入部分液體的壓力；表面張力和溫度有關(guān)，因此要等溶液恒溫后再測量；控制好出泡速度，讀取壓力計(jì)的壓力差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。參考資料：1.物理化學(xué)（南京大學(xué) 物理化學(xué)教研室 傅獻(xiàn)彩 沈文霞 姚天揚(yáng) 編）2.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)電子版講義（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 劉光明）Abstract: This experiment utilized the biggest bubble pressure method, which means measure the air pressure when bubble is defus

11、ing from capillary tube, that moment force of air a bit more than the surface tension, to measure surface tension. Than, on basis of the linking between the surface tension of normal butanol liquid of different concentration, calculate the amount of absorption on the surface and the section surface

12、of one butanol molecule.Key words： absorption effect; surface tension; the biggest bubble pressure method; surface active substance附錄：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1. 原始數(shù)據(jù)：大氣壓：101.18 Kpa恒溫槽溫度：30.00正丁醇的分子量 M=74.21g/mol密度 =0.8098g/ml30.00時(shí)，水的表面張力=71.18*10-3N*m-1實(shí)驗(yàn)中分別用不同體積的正丁醇配制成Vo=100ml的溶液，溶液的濃度為 C=V/（MVo）；數(shù)據(jù)記錄表如下：正丁醇用量ml0.0

13、00.400.801.201.602.002.402.80溶液濃度C/mol*l-10.000.04370.08740.13110.17480.21850.262203059P1/mpa725.5646.8593.0502.0474.9451.7446.6530.5P2/mpa725.1646.5591.8502.7472.1447.9451.5528.4P3/mpa724.9644.5589.8503.4472.0447.1451.0530.2P4/mpa725.3647.5590.3501.9472.5450.7452.2529.3P5/mpa725.2644.0591.1502.7473

14、.6446.6453.0531.6P6/mpa724.8646.8590.7501.7471.9451.5449.3530.0平均P/mpa725.1646.0591.1502.0472.4449.2450.6530.0正丁醇液/10-3N*m-171.1863.4158.0249.4746.3744.1044.2352.02 已知25水的表面張力為=71.18*10-3N/m有上述數(shù)據(jù)可以得知，純水的p H20 =725.1mPa毛細(xì)管常數(shù)K=/p H20 =71.18*10-3/725.1*10-3=0.0981m由公式i=Kpi 可以得到不同濃度時(shí)正丁醇溶液的表面張力（已填入上表，見最后

15、一欄）2. 數(shù)據(jù)處理和分析（Excel處理）1) -c曲線 根據(jù)理論，隨c變化應(yīng)該是遞減趨勢，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)隨著濃度的增大，毛細(xì)管下端冒泡越來越難控制，結(jié)果的準(zhǔn)確性也不如濃度小的情況，故舍去最后一點(diǎn)，重新作圖，并作多項(xiàng)式擬合，如下： 可以看出來修正后的相關(guān)性更好。擬合得與C的關(guān)系式為：=411.44c²-215.04c+71.8032對=411.44c²-215.04c+71.803求導(dǎo)后，得 =822.28c-215.04 單位：10-3N*mol-1*m2 在光滑曲線上選取6個(gè)不同濃度點(diǎn)，帶入上述微分方程，得到6個(gè)不同濃度下的切線斜率。 由，可以得到不同濃度溶液的吸附量G的值，并計(jì)算c/G的值，作G-c和-c曲線。T =30.00+273.15=303.15K濃度mol/l0.02 0.040.080.12 0.16 0.20/N*mol-1*m2-0.198 -0.182 -0.149 -0.116 -0.083 -0.051/10-6mol*m-21.5712.8894.7265.5235.2694.047/106m-112.7213.8416.9321.7330.3649.421 G-c曲線2 -c曲線3）根據(jù)圖4的擬合結(jié)果，直線斜率為k=1.86*105mol-1*m2 G¥=1/k=5.37*10-6m