實驗六： 溶液表面張力的測定

1、1實驗六實驗六 溶液表面張力的測定溶液表面張力的測定2一、目的要求一、目的要求 n1. 測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力,計算表計算表面吸附量和乙醇分子的橫截面積。面吸附量和乙醇分子的橫截面積。n 2. 了解表面張力的性質(zhì)了解表面張力的性質(zhì),表面自由能的意義以及表面自由能的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系。表面張力和吸附的關(guān)系。3二、基本原理二、基本原理 1. 表面自由能表面自由能 物體表面分子和內(nèi)部分子所處的境遇不同，表面層分子受到物體表面分子和內(nèi)部分子所處的境遇不同，表面層分子受到向內(nèi)的拉力，所以液體表面都有自動縮小的趨勢。如果把一個分向內(nèi)的拉力，所以液體表面都

2、有自動縮小的趨勢。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、壓力和組成都恒定時，可逆地使表面增加組成都恒定時，可逆地使表面增加A所需對體系做的功，叫所需對體系做的功，叫表表面功面功，可表示為：，可表示為： W =g gA =G g g 稱為表面自由能，單位為稱為表面自由能，單位為J/m2。若把。若把g g看作為作用在界面上每看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，通常稱為表面張力。單位長度邊緣上的力，通常稱為表面張力。 4 2. 溶液的表面吸附溶液的表面吸附 （2）吉布斯吸附方程）吉布斯吸附方程: 根據(jù)能量最低原則根據(jù)

3、能量最低原則,溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時,表面層表面層溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大;反之反之,溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時,表面層中的濃度比內(nèi)部的低。這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度表面層中的濃度比內(nèi)部的低。這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附溶液的表面吸附。 TddRT)(g（1）表面吸附）表面吸附: 5TdCdRTC)(g0, 0則dCdg稱為負(fù)吸附稱為負(fù)吸附; 0, 0則dCdg稱為正吸附稱為正吸附; 溶液濃度較低時，可用濃度來代替活度溶液濃度較低時，可用濃度來代替活度為表面吸附量為表面吸附量(單

4、位單位:molm-2 );T為熱力學(xué)溫度為熱力學(xué)溫度(單位單位:K);C為稀為稀溶液濃度溶液濃度(單位單位:molm-3 );R為氣體常數(shù)。為氣體常數(shù)。 6 乙醇是表面活性物質(zhì)乙醇是表面活性物質(zhì),能降低溶劑的表面張力能降低溶劑的表面張力,它們在水溶液表面的排列情況隨濃度不同而異它們在水溶液表面的排列情況隨濃度不同而異:當(dāng)當(dāng)濃度小時濃度小時,分子可以平躺在表面上分子可以平躺在表面上;濃度增大時濃度增大時,分分子的極性基團(tuán)取向溶劑內(nèi)部子的極性基團(tuán)取向溶劑內(nèi)部,而非極性基團(tuán)基本上而非極性基團(tuán)基本上取向空間取向空間;當(dāng)濃度增大到一定程度時當(dāng)濃度增大到一定程度時,溶質(zhì)分子占溶質(zhì)分子占據(jù)了所有表面據(jù)了所有

5、表面,就形成飽和吸附層。就形成飽和吸附層。 7)1ln(*00acbggg在在g g-C曲線上任選一點曲線上任選一點i作切線作切線,即可得該點所對應(yīng)濃度即可得該點所對應(yīng)濃度Ci 的的斜率斜率 ，再由上式可求得不同濃度下的，再由上式可求得不同濃度下的值。值。 TdCd)(g8式中式中: 是飽和吸附量，是飽和吸附量，K是常數(shù)，將上式取倒數(shù)可得是常數(shù)，將上式取倒數(shù)可得:3. 飽和吸附與溶質(zhì)分子的橫截面積飽和吸附與溶質(zhì)分子的橫截面積 在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir等溫式表示：等溫式表示：KCKC1KCC 1作作(C/)-C圖圖,

6、直線斜率的倒數(shù)即為直線斜率的倒數(shù)即為 。9如果以如果以N代表代表1m2表面層的分子數(shù)，則表面層的分子數(shù)，則: 式中式中, NA為為Avogadro常數(shù)，常數(shù)， 則每個分子的則每個分子的截面積截面積A A為為: :ANNLA1104. 測定表面張力的方法測定表面張力的方法n 測定液體表面張力的方法很多，如最大泡壓法法、吊環(huán)法。n（1）最大泡壓法11n 當(dāng)毛細(xì)管的下端端面與被測液體液面相切時，液體即沿毛細(xì)管上升。打開抽氣瓶（滴液漏斗）的活塞進(jìn)行緩慢放水抽氣，此時測定管中的壓力逐漸減小，由于毛細(xì)管內(nèi)液面上所受的壓力（ ） 大于測定管中液面上的壓力（ ），故毛細(xì)管內(nèi)的液面逐漸下降，并從毛細(xì)管管端緩慢地

7、逸出氣泡。在氣泡形成過程中，由于表面張力的作用，凹液面產(chǎn)生了一個指向液面外的附加壓力，因此有下述關(guān)系：p大氣p系統(tǒng)ppp 大氣系統(tǒng)12附加壓力和溶液的表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關(guān)系式為 若毛細(xì)管管徑較小，則形成的氣泡可視為是球形的。氣泡剛形成時，由于表面幾乎是平的，所以曲率半徑極大；當(dāng)氣泡形成半球形時，曲率半徑等于毛細(xì)管管徑，此時值曲率半徑為最?。浑S著氣泡的進(jìn)一步增大，曲率半徑又趨增大，直至逸出液面。2pR 13n在實驗中，若使用同一支毛細(xì)管，則 nK為毛細(xì)管常數(shù)。 在本實驗中，用已知表面張力的水作為標(biāo)準(zhǔn)，求出儀器常數(shù)的值。然后只要用這一儀器測得其它液體的 值，通過上式計算，即

8、可求得各種液體的表面張力。 pK 14三、實驗步驟三、實驗步驟 1. 配置不同濃度的乙醇配置不同濃度的乙醇-水溶液水溶液60-70ml： 濃度參考：濃度參考：3%,6%,10%,15%,20%,25%,40% 配置方法：稱重法配置方法：稱重法n洗凈烘干洗凈烘干50ml碘量瓶，放到分析天平上稱重后，歸零。碘量瓶，放到分析天平上稱重后，歸零。n用量筒量用量筒量Xml乙醇于碘量瓶中，稱重乙醇于碘量瓶中，稱重W1。再用另一個量筒量。再用另一個量筒量Yml純水于碘量瓶中，稱重純水于碘量瓶中，稱重W2。n計算溶液的準(zhǔn)確濃度為計算溶液的準(zhǔn)確濃度為(W1/W2)100%n配好后蓋緊塞子，以防揮發(fā)。配好后蓋緊塞

9、子，以防揮發(fā)。152. 測不同溶液的密度測不同溶液的密度n測定測定7種濃度的乙醇溶液和純乙醇的密度種濃度的乙醇溶液和純乙醇的密度n平行測定兩次平行測定兩次n計算公式計算公式 純水0102 WWWW3. 測定純水、測定純水、7種乙醇溶液的表面張力種乙醇溶液的表面張力161）最大泡壓法n1、樣品管中裝入蒸餾水，使液面與毛細(xì)管端面相切，注意保持毛細(xì)管與液面垂直。n2、打開抽氣瓶活塞，讓水緩慢流下，使毛細(xì)管中氣泡逸出速度為510秒/個，壓差為700-800Pa之間。記錄壓力計最大值，讀數(shù)三次，求出平均值。n3、同法從稀到濃測定乙醇水溶液的P最大值。172）吊環(huán)法n1、立即計算溶液的密度。n2、每次測定前，少量潤洗測量杯，輸入待測樣品的密度，空氣密度，環(huán)半徑。n3. 開動儀器，測定溶液的表面張力。18四、數(shù)據(jù)處理四、數(shù)據(jù)處理 n1. 由由W%換算成換算成 c。 n2.根據(jù)測定的各份溶液的表面張力根據(jù)測定的各份溶液的表面張力 g g,并作并作 g gc曲線曲線, 求得曲線求得曲線方程。方程。n3.在在g gc曲線上取十個點，作切線求斜率，并且?guī)敫鳚舛惹€上取十個點，作切線求斜率，并且?guī)敫鳚舛戎?，計算在各相?yīng)濃度下的值，計算在各相應(yīng)濃度下的。 n4. 用用c/ 對對c作圖，應(yīng)得一條直線，由直線斜率求出作圖，應(yīng)得一條直線