物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 G溶液表面吸附的測(cè)量

1、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告溶液表面吸附的測(cè)量姓名：學(xué)號(hào)：班號(hào)：指導(dǎo)老師溶液表面吸附的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）掌握最大氣泡壓力法測(cè)定溶液表面張力的原理和方法。2）根據(jù)吉布斯（Gibbs）吸附方程式，計(jì)算溶質(zhì)（乙醇）在單位溶液表面的吸附量，并作r-c圖。二、實(shí)驗(yàn)原理在定溫下，純物質(zhì)液體的表面層與本體（內(nèi)部）組成相同，根據(jù)能量最低原理，為降低體系的表面吉布斯自由能，將盡可能地收縮液體表面。對(duì)溶液則不同，加入溶質(zhì)后，溶劑表面張力發(fā)生變化，根據(jù)能量最低原理，若加入的溶質(zhì)能降低溶劑表面張力時(shí)，則溶質(zhì)在表面層的濃度比在溶液本體的濃度大，反之，若溶質(zhì)使溶劑表面張力升高，溶質(zhì)在表面層的濃度小于在溶液本體中的濃度。溶質(zhì)在溶液表

2、面層與在溶液本體中濃度不同的現(xiàn)象稱為溶液的表面吸附，即溶液借助于表面吸附來(lái)降低表面吉布斯自由能。溶液表面吸附溶質(zhì)的量r與表面張力。、濃度C有關(guān)，其關(guān)系符合Gibbs吸附方程廠=（竺）（C22.1）RTdct式中：r吸附量；C溶液濃度；T溫度；R氣體常數(shù)；。表面張力或表面吉布斯自由能。Re（）表示在一定溫度下，表面張力隨濃度的變化率。如果溶液表面張力dcT隨濃度增加而減小，即（竺）0，此時(shí)溶液中溶質(zhì)在表面層中的濃度大dcTde于在溶液本體中的濃度，稱為正吸附。如果（）0，則ro，稱為負(fù)吸附。dcT在一定溫度下，測(cè)定不同濃度溶液的表面張力。，以。對(duì)c作圖，求不同濃度時(shí)的（竺）值。由Gibbs吸附方

3、程求各濃度下的吸附量r。dcT求（竺）值，可以通過(guò)鏡面法和平行線法，在曲線上做切線。目前更好的方dcT法是使用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，例如使用數(shù)據(jù)處理軟件origin或Excel。詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)本書(shū)緒論部分。測(cè)定液體表面張力的方法較多，如最大氣泡壓力法、滴體積法、毛細(xì)管升高法、環(huán)法等，本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡壓力法。實(shí)驗(yàn)裝置如圖C22.1所示。將待測(cè)液體裝入表面張力儀中，使玻璃毛細(xì)管下端與液面相切，若液體能潤(rùn)濕管壁，則液體沿毛細(xì)管上升形成凹液面，其液面所受壓力P為大氣壓力P0和附加壓力AP。根據(jù)拉普拉斯（Laplace）方程：AP=巴（C22.2）r式中：r為彎曲液面曲率半徑；。為液體與氣體表面（界面）張力。

4、因是凹液面,彎曲液面的曲率半徑r0,AP0（指向大氣）。表面張力儀恒溫槽加壓裝置微壓差計(jì)圖C22.1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖加壓圖C22.2毛細(xì)管口示意圖時(shí)，能承受的壓力差最大。則有2QAP=(C22.3)maxrrQ=-AP(C22.4)2max當(dāng)打開(kāi)漏斗的活塞，讓水緩慢滴入下面密封的加壓瓶中時(shí)，毛細(xì)管內(nèi)液面上受到比毛細(xì)管外液面上更大的壓力，毛細(xì)管內(nèi)液面開(kāi)始下降。當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管上面產(chǎn)生的作用稍大于毛細(xì)管口液體的表面張力所能產(chǎn)生的最大作用時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口逸出，如圖C22.2所示。氣泡逸出前能承受的最大壓力差為AP，可以用微壓差測(cè)量?jī)x測(cè)出。根據(jù)拉max普拉斯方程，毛細(xì)管內(nèi)凹液面的曲率半徑等于毛細(xì)管

5、的半徑測(cè)定毛細(xì)管的半徑r和AP即可求得液體表面張力。直接測(cè)定毛細(xì)管半max徑r容易帶入較大的誤差，可用同一支毛細(xì)管，在相同條件下分別測(cè)出已知表面張力為。的參考液體的AP和待測(cè)液體的AP，由（3）式得1max,1maxTOC o 1-5 h z2o2or=1-APAPmaxmax,1C22.5)c二iAPAPmaxmax,1由式C22.5可求出其它液體的表面張力。三、儀器和試劑微壓差測(cè)量?jī)x（DMPY-2C型）表面張力測(cè)量玻璃儀器恒溫槽容量瓶燒杯、洗瓶無(wú)水乙醇（A.R.）四、實(shí)驗(yàn)步驟1）配制溶液：使用0.Olg或更高精度的電子天平稱取無(wú)水乙醇，加入到容量瓶中，加水至刻度。配制濃度0.56.0mol

6、dm-3的乙醇水溶液，濃度分布如表所示。2）按圖1所示檢查安裝儀器。將恒溫水通入表面張力儀內(nèi)，調(diào)節(jié)恒溫槽至設(shè)定溫度，設(shè)定溫度應(yīng)比室溫高約5C,且能查到該溫度下純水的表面張力值。3）在洗凈的表面張力儀中加入適量去離子水，通恒溫水lOmin以上。通過(guò)表面張力儀下部的活塞調(diào)節(jié)液面高低，使得放入毛細(xì)管，旋緊橡皮塞時(shí)，玻璃毛細(xì)管下端剛好與液面相切。4）將毛細(xì)管與乳膠管斷開(kāi)，將毛細(xì)管內(nèi)外處理干凈（用吹氣法），將毛細(xì)管放入表面張力儀，緩慢旋緊橡皮塞，使毛細(xì)管下端剛好與液面相切。使微壓差測(cè)量?jī)x通大氣，按一下“置零”按鈕，然后輕輕將毛細(xì)管與乳膠管連接上。5）緩緩打開(kāi)漏斗的活塞，使水慢慢滴下，毛細(xì)管上面壓力逐步增

7、大，當(dāng)毛細(xì)管下端氣泡穩(wěn)定形成（約510s出一個(gè)氣泡）后，從微壓差測(cè)量?jī)x上讀取壓力差最大值A(chǔ)P。讀三次，計(jì)算時(shí)取平均值。max,16）用上述方法，將表面張力儀中的去離子水換為不同濃度待測(cè)的乙醇水溶液，測(cè)得各溶液的AP值。注意：每次更換溶液時(shí)，用待測(cè)溶液涮洗表面張力max儀3次。將毛細(xì)管與乳膠管斷開(kāi)，將毛細(xì)管內(nèi)外殘留的上次液體去除干凈。每次更換溶液后，在表面張力儀中應(yīng)恒溫10min以上，為了節(jié)省時(shí)間，可先將盛待測(cè)溶液的磨口塞錐形瓶放入恒溫槽內(nèi)恒溫，恒溫后的溶液放入表面張力儀后再恒溫3min。7）實(shí)驗(yàn)完畢，洗凈玻璃容器。五、數(shù)據(jù)處理室溫：17.7C恒溫槽溫度:23C預(yù)計(jì)濃度/moldm-300.71

8、.42.12.83.54.24.95.6乙醇質(zhì)量/g0.001.653.244.836.448.079.7011.2712.88溶液體積/ml505050505050505050濃度/moldm-30.000.701.402.102.803.504.204.905.60AP/Pa第1次max585467421383340322307285272AP/Pa第2次max588467420384340321307285273AP/Pa第3次max586467420383340319308285272AP/Pa平均值max586.3467.0420.3383.3340.0320.7307.3285.0

9、272.3表面張力/（mN/m）72.357.651.847.341.939.537.935.233.6如表所示，記錄去離子水、各濃度的乙醇-水溶液的濃度、AP、恒溫溫度，查max出水的表面張力，計(jì)算不同濃度乙醇水溶液的表面張力。作b-c曲線。表而張力a/(mNin)從bc圖可以得到：o=f(c)=71.47T2.72c+1.156c2(Ob微分后得到切線方程：一=f(c)=-12.72+2.312c10罰*mol-1*m2遼c丿t在光滑曲線上選取8個(gè)不同濃度點(diǎn)，帶入上述微分方程，得到8個(gè)不同濃度下的(Ob切線斜率孚lOc丿T由廠=丄(竺，可以得到不同濃度溶液的吸附量廠的值,RTlOc丿T作r

10、-c曲線。濃度mol/l0.701.402.102.803.504.204.905.60(竺N*mol-i*m2lOc丿T-11.10-9.48-7.86-6.25-4.63-3.01-1.39+0.23r=丄互10-3mol*m-2RTlOc丿T3.195.456.777.186.655.192.790.53六、誤差分析一、從實(shí)驗(yàn)操作角度分析：、實(shí)驗(yàn)中，只提供了無(wú)水乙醇，溶液需要臨時(shí)配制，配制過(guò)程中由于讀數(shù)、儀器精度等原因?qū)е聦?shí)際溶液濃度與計(jì)算值存在一定誤差。、調(diào)節(jié)活塞過(guò)程中，氣泡冒出的速率不一，導(dǎo)致讀數(shù)時(shí)隨意性較大，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)一定誤差。二、從理論上分析：本次試驗(yàn)測(cè)得的正丁醇分子的橫截面

11、積比理論值要大，但處于同一個(gè)數(shù)量級(jí);co、r-c、c/r-c圖中某些點(diǎn)與總體趨勢(shì)不同，與理論曲線大體吻合。作為一種低成本的方法，最大氣泡法有吸附難以達(dá)到平衡的缺點(diǎn)，精度不高是可以理解的。下面我對(duì)實(shí)驗(yàn)的誤差因素進(jìn)行全面的分析。最大壓差A(yù)P值的測(cè)量誤差在每次改變測(cè)量溶液濃度之后，應(yīng)該用待測(cè)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(cè)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；實(shí)驗(yàn)要求毛細(xì)管底部與液面正好相切，并且毛細(xì)管完全的垂直，實(shí)際上這很難到達(dá)，而且實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)上也沒(méi)有明確的方法使我們做到這兩點(diǎn)；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

12、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；毛細(xì)管的粗細(xì)均勻程度及磨損程度都會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響;5）出泡速度會(huì)影響AP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，若氣泡產(chǎn)生速率偏快，會(huì)使測(cè)定最大壓力差值偏大，過(guò)慢則會(huì)偏?。?）裝置氣密性不好，有些許漏氣會(huì)使測(cè)定最大壓力差值偏??；7）其它系統(tǒng)誤差，如恒溫槽溫度的小幅變動(dòng)。數(shù)據(jù)處理1）我們?cè)跀?shù)據(jù)處理的過(guò)程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，而實(shí)驗(yàn)溶液的正丁醇濃度并不是很稀的，導(dǎo)致計(jì)算的正丁醇分子截面積偏差較大。這一點(diǎn)從r-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）oc曲

13、線擬合形式的不同會(huì)最終造成rc圖及c/rc圖與理論情況的偏差。七、實(shí)驗(yàn)的討論與改進(jìn)（1）關(guān)于相關(guān)曲線的討論1）由。c圖可知，正丁醇溶液的表面張力。隨著其濃度的增加而逐漸降低，為正吸附，故正丁醇是一種表面活性物質(zhì)。當(dāng)正丁醇的濃度增大到一定值時(shí)，溶液的表面張力。的隨濃度的變化較小，此時(shí)有可能已經(jīng)形成了單分子層的飽和吸附層；2）由r-c圖可知，當(dāng)濃度較小時(shí)，隨著濃度的升高，吸附量逐漸增加。（2）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)在實(shí)驗(yàn)中將帶毛細(xì)管的木塞插入試管，若木塞沒(méi)有塞正，可導(dǎo)致毛細(xì)管與液面不垂直；若加入試管中溶液的量控制得不準(zhǔn)，可導(dǎo)致毛細(xì)管插入液面深淺不一，需要多次調(diào)節(jié)液面高度，操作起來(lái)煩瑣，往往要反復(fù)幾次才能完成。我

14、們可以對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行如下改進(jìn)，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作。1）樣品管的改動(dòng)：我們將樣品管設(shè)計(jì)成套管，套管上端為磨口，與帶毛細(xì)管的磨口塞配套。用磨口塞固定毛細(xì)管的位置，這可以使毛細(xì)管保持與液面垂直，避免了用木塞固定毛細(xì)管的隨意性。外管兩側(cè)上下支管與恒溫槽相連，構(gòu)成整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系的恒溫循環(huán)裝置。內(nèi)管裝樣品，內(nèi)管側(cè)面支管與壓力計(jì)連接。套管下端管口接活塞，通過(guò)旋轉(zhuǎn)活塞可非常方便、靈活地調(diào)節(jié)液面高度使之與毛細(xì)管相切，操作起來(lái)非常簡(jiǎn)便。2）增加1個(gè)三通雙支真空活塞：在壓力計(jì)和滴液漏斗之間增加1個(gè)三通雙支真空活塞，在調(diào)節(jié)毛細(xì)管端面與液面相切時(shí)，先將三通雙支真空活塞轉(zhuǎn)向一支通大氣以防止體系產(chǎn)生負(fù)壓，再轉(zhuǎn)向另一支與體系相通進(jìn)行

15、測(cè)量。這樣減少了傳統(tǒng)裝置操作時(shí)，在每次測(cè)量之前需反復(fù)提出毛細(xì)管以平衡體系與大氣壓差的麻煩，并可以在兩次測(cè)量之間，快速使系統(tǒng)與大氣之間的壓力平衡，使讀數(shù)誤差減小。八、實(shí)驗(yàn)心得本次實(shí)驗(yàn)我學(xué)到了關(guān)于溶液表面張力的相關(guān)知識(shí)，并了解了最大氣泡法的相關(guān)操作。雖然實(shí)驗(yàn)操作步驟簡(jiǎn)單，但造成誤差的因素較多，操作時(shí)要格外仔細(xì)。另外，調(diào)節(jié)氣泡使其均勻冒出且速度適中是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，我在第一組測(cè)量中遇到了較大的麻煩，但在陳亞同學(xué)和呂老師的幫助下，我也漸漸掌握了調(diào)氣泡的要領(lǐng)，即先把氣泡調(diào)出來(lái)，然后關(guān)閉活塞使其穩(wěn)定，中途大概估計(jì)出泡時(shí)的壓力，再緩緩打開(kāi)活塞，一直微調(diào)到壓力數(shù)在一定區(qū)間穩(wěn)定波動(dòng)。九、思考題（1）、實(shí)驗(yàn)前為什么一定要確保表面張力儀和玻璃毛細(xì)管的潔凈？答:如果毛細(xì)管洗滌不干凈，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量溶液濃度發(fā)生偏差，對(duì)表面張力值產(chǎn)生影響，不僅影響到表面張力值，而且氣泡生成將會(huì)沒(méi)有規(guī)律（要么就是一個(gè)氣泡也沒(méi)有，要么就是多個(gè)氣泡同時(shí)逸出），會(huì)影響到壓力的變化速率，由于壓強(qiáng)變化過(guò)快，