(教學(xué)3)最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力概述

最大氣泡法測(cè)定溶液的外表張力目的要求

1.測(cè)定不同濃度乙醇水溶液的外表張力,計(jì)算外表吸附量和乙醇分子的橫截面積。2.了解外表張力的性質(zhì),外表自由能的意義以及外表張力和吸附的關(guān)系。3.掌握用最大氣泡法測(cè)定外表張力的原理和技術(shù)。根本原理1.外表自由能物體外表分子和內(nèi)局部子所處的境遇不同，外表層分子受到向內(nèi)的拉力，所以液體外表都有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)。如果把一個(gè)分子由內(nèi)部遷移到外表，就需要對(duì)抗拉力而做功。在溫度、壓力和組成都恒定時(shí)，可逆地使外表增加ΔS所需對(duì)體系做的功，叫外表功，可表示為：

-A=ΔG=σΔSσ稱為外表自由能，單位為J/m2。假設(shè)把σ看作為作用在界面上每單位長(zhǎng)度邊緣上的力，通常稱為外表張力。2.溶液的外表吸附在指定的溫度和壓力下,溶質(zhì)的吸附量與溶液的外表張力及溶液的濃度有關(guān),從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系遵守吉布斯吸附方程:根據(jù)能量最低原那么,溶質(zhì)能降低溶劑的外表張力時(shí),外表層溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大;反之,溶質(zhì)使溶劑的外表張力升高時(shí),外表層中的濃度比內(nèi)部的低。這種外表濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的外表吸附。Γ為外表吸附量(單位:mol·m-2);T為熱力學(xué)溫度(單位:K);C為稀溶液濃度(單位:mol·dm-3);R為氣體常數(shù)。稱為負(fù)吸附;

稱為正吸附;

在σ-C曲線上任選一點(diǎn)i作切線,即可得該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)濃度Ci的斜率，再由上式可求得不同濃度下的Γ值。乙醇是外表活性物質(zhì),能降低溶劑的外表張力,它們?cè)谒芤和獗淼呐帕星闆r隨濃度不同而異:當(dāng)濃度小時(shí),分子可以平躺在外表上;濃度增大時(shí),分子的極性基團(tuán)取向溶劑內(nèi)部,而非極性基團(tuán)根本上取向空間;當(dāng)濃度增大到一定程度時(shí),溶質(zhì)分子占據(jù)了所有外表,就形成飽和吸附層。以外表張力對(duì)濃度作圖,可得到σ-C曲線,從圖中可以看出,在開(kāi)始時(shí)σ隨濃度的增加而迅速下降,以后的變化比較緩慢。式中:Γ∞是飽和吸附量，K是常數(shù)，將上式取倒數(shù)可得:3.飽和吸附與溶質(zhì)分子的橫截面積在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir(朗繆爾

)等溫式表示：作(C/Γ)-C圖,直線斜率的倒數(shù)即為Γ∞。如果以N代表1m2外表上溶質(zhì)的分子數(shù),那么有:N=Γ∞L因此,假設(shè)測(cè)得不同濃度下溶液的外表張力,從σ-C曲線上求出不同濃度的吸附量Γ,再?gòu)?C/Γ)-C直線上求出?！?便可以計(jì)算出溶質(zhì)分子的橫截面積σB?？傻妹總€(gè)溶質(zhì)分子在外表上所占據(jù)的橫截面積:σ=1/(ΓΓ∞)4.最大氣泡法△Pmax=△Pr=P0-Pr=2σ/r將被測(cè)液體裝于測(cè)定管中,使玻璃管下端毛細(xì)管面與液面相切,液面沿毛細(xì)管上升,翻開(kāi)抽氣瓶的活塞緩緩放水抽氣,測(cè)定管中的壓力P逐漸減小,毛細(xì)管壓力P0就會(huì)將管中液面壓至管口,形成氣泡,其曲率半徑由大而小,直至恰好等于毛細(xì)管半徑時(shí),根據(jù)拉普拉斯公式,這時(shí)能承受的壓力差也最大:那么σ=(r/2)ρg△h=K'△h最大壓力差可用U型壓力計(jì)中最大液柱差△h來(lái)表示:△Pmax=ρg

K'為儀器常數(shù),可以用外表張力的物質(zhì)測(cè)定。儀器與試劑

恒溫裝置一套燒杯〔25ml〕一個(gè)帶有支管的試管〔附木塞〕1支毛細(xì)管〔半徑為0.15mm~0.20mm)1根容量瓶〔50ml)8支數(shù)字式微壓差測(cè)量?jī)x1臺(tái)低真空測(cè)壓儀滴液漏斗支管試管毛細(xì)管實(shí)驗(yàn)步驟

1.安裝儀器：洗凈儀器并按圖裝置。對(duì)需枯燥的儀器作枯燥處理。2.配置乙醇溶液：分別配制0．02mol/L，0.05mol／L，0．10mol／L，0．15mol／L，0.20mol／L，0．25mol／L，0．30mol/L，0．35mol/L乙醇溶液各50mL。3.調(diào)節(jié)恒溫為25℃。4.儀器常數(shù)測(cè)定先以蒸餾水作為待測(cè)液測(cè)定其儀器常數(shù)。方法是將枯燥的毛細(xì)管垂直地插到使毛細(xì)管的端點(diǎn)剛好與水面相切，翻開(kāi)滴液漏斗，控制滴液速度，使毛細(xì)管逸出的氣泡，速度約為5s～10s1個(gè)。在毛細(xì)管口氣泡讀出U型管兩邊液面最大高度差可讀三次，取其平均值。通過(guò)手冊(cè)查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)水的外表張力，利用公式求出儀器常數(shù)K。5.待測(cè)樣品外表張力的測(cè)定：用待測(cè)溶液洗凈試管和毛細(xì)管，參加適量樣品于試管中，按照儀器常數(shù)測(cè)定的方法，測(cè)定不同待測(cè)樣品的計(jì)算其外表張力。

6.乙醇溶液的折光率測(cè)定：用每個(gè)樣品測(cè)出后，隨即用滴管吸取該溶液滴，置于棱鏡上，用阿貝折光儀測(cè)其折光率nD查工作曲線得各樣品的準(zhǔn)確濃度。數(shù)據(jù)處理1.由附錄表中查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)水的外表張力，算出毛細(xì)管常數(shù)K。2.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算各份溶液的外表張力,并作~c曲線。3.在~c曲線上分別在0．050mol/L，0．100mol／L，0．150mol／L，0．200mol／L，0．250mol／L和0．300mol／L處作切線，分別求出各濃度的值，并計(jì)算在各相應(yīng)濃度下的Γ。4.用c/Γ對(duì)c作圖，應(yīng)得一條直線，由直線斜率求出Γ∞。實(shí)驗(yàn)本卷須知1.測(cè)定用的毛細(xì)管一定要洗干凈，否那么氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定地流過(guò)，而使壓差計(jì)讀數(shù)I不穩(wěn)定，如發(fā)生此種現(xiàn)象，毛細(xì)管應(yīng)重洗。2.毛細(xì)管一定要保持垂直，管口剛好插到與液面接觸。3.雜質(zhì)對(duì)的影響很大，配制溶液應(yīng)使蒸餾水。4.應(yīng)讀出氣泡單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。5.與溫度密切相關(guān)，應(yīng)使外表張力儀浸入恒溫槽的水中。討論1.假設(shè)毛細(xì)管深入液面下Hcm，那么生成的氣泡受到大氣壓和的靜液壓。如能準(zhǔn)確測(cè)知H值，那么根據(jù)來(lái)測(cè)定值。但假設(shè)使毛細(xì)管口與液面相切，那么H＝0，消除了項(xiàng)，但每次測(cè)定時(shí)總不可能都使H＝0，故單