溶液表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

溶液表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

溶液的表面張力是溶液的一個(gè)非常重要的性質(zhì)。表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)也是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容,因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)簡(jiǎn)便的測(cè)定表面張力的技術(shù),驗(yàn)證了表面化學(xué)的基礎(chǔ)理論,從中可獲得溶液表面吸附量以及吸附分子橫截面的信息,而且也使學(xué)生學(xué)會(huì)使用數(shù)理途徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法。目前該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在以下不足:乙醇溶液濃度的確定不準(zhǔn)確和麻煩;用酒精壓力計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)不精確;圖解法手工處理數(shù)據(jù)誤差大且煩瑣。針對(duì)上述三方面的不足,實(shí)踐中通過(guò)測(cè)定溶液折射率確定乙醇溶液濃度;用數(shù)字式微壓差計(jì)替代酒精壓力計(jì)及用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等辦法的實(shí)施可解決上述三方面的問(wèn)題,使表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)得到了改進(jìn),變得更快速、準(zhǔn)確和方便。1濃度-折射線性方程的建立表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)一般是測(cè)定乙醇或正丁醇溶液的表面張力,并繪制表面張力-濃度(γ-c)圖和表面吸附量-濃度(Γ-c)圖。其中待測(cè)溶液準(zhǔn)確濃度c的確定通常是通過(guò)配制高濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液然后稀釋的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在這種方法中,因乙醇或正丁醇揮發(fā)及溶液的稀釋過(guò)程均會(huì)導(dǎo)致待測(cè)溶液濃度確定的不準(zhǔn)確;另外復(fù)雜的操作過(guò)程對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)薄弱的非化學(xué)專業(yè)學(xué)生來(lái)講,還是有困難的。實(shí)驗(yàn)中我們采用的辦法是用稱重法配制5%,10%,15%,20%,25%,30%,40%,50%左右的標(biāo)準(zhǔn)乙醇溶液,利用稱重法得到的數(shù)據(jù)可計(jì)算出各標(biāo)準(zhǔn)乙醇溶液的物質(zhì)的量濃度;并測(cè)定各標(biāo)準(zhǔn)溶液的折射率,所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見表1標(biāo)準(zhǔn)乙醇溶液的濃度及其折射率,利用這些數(shù)據(jù)可做出濃度-折射率的工作曲線。對(duì)于待測(cè)溶液的濃度的確定,可用阿貝折射儀測(cè)其折射率,并在上述工作曲線上查出相應(yīng)的濃度值。但在實(shí)際操作中通常是將測(cè)得的濃度-折射率的工作曲線做回歸分析,得到濃度和折射率的線性方程,如利用表1數(shù)據(jù)可得方程y=1.3323+3.3186×10-3x,該方程相關(guān)系數(shù)為0.994,y代表折射率,x代表溶液的濃度c,利用該方程即可方便得到待測(cè)溶液的濃度,例如測(cè)得溶液折射率為1.3426,則該溶液濃度為3.1037mol·L-1。該方法操作簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確、效果更佳。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一定要保證測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)乙醇溶液和待測(cè)乙醇溶液折射率的條件一致,尤其是溫度。2個(gè)人做實(shí)驗(yàn),不能兼顧二者改進(jìn)前的實(shí)驗(yàn)要求在氣泡逸出瞬間讀出酒精壓力計(jì)上的柱高,如果由一個(gè)人做實(shí)驗(yàn),無(wú)法兼顧二者,故存在誤差。改進(jìn)后采用DMPY-2C最大氣泡法測(cè)定表面張力化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀,用數(shù)字式微壓差計(jì)測(cè)得系統(tǒng)壓力值是正確的,而且比酒精壓力計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)還更精確。3計(jì)算機(jī)處理表面張力的測(cè)量數(shù)據(jù)3.1用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)通常要求學(xué)生繪制γ-c曲線及Γ-c曲線,繪制Γ-c曲線時(shí),要通過(guò)求解(ddγc)T的值來(lái)求Γ。通常的辦法是:利用曲線板或曲線尺對(duì)溶液表面張力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作γ-c關(guān)系曲線,然后鏡像法或玻棒法在整個(gè)實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)的γ-c曲線上,選取不同的濃度點(diǎn)作切線,切線的斜率便是該濃度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的表面張力對(duì)溶液濃度的導(dǎo)數(shù)值(dcdγ)T。用這樣方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),學(xué)生覺得非常麻煩和復(fù)雜,也很困惑切線該如何來(lái)繪制;并且存在相當(dāng)大的誤差,有時(shí)甚至?xí)玫藉e(cuò)誤的結(jié)論。為此可采用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,目前可用的方法有C語(yǔ)言編寫程序、Origin軟件、Excel軟件等。通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)和進(jìn)行實(shí)踐發(fā)現(xiàn)編寫復(fù)雜數(shù)據(jù)處理程序?qū)ξ锢砘瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)工作者來(lái)說(shuō)不現(xiàn)實(shí)也不必要,而用Origin軟件處理數(shù)據(jù)時(shí),在得到γ-c經(jīng)驗(yàn)關(guān)系中的待定參數(shù)后,不能一氣呵成地進(jìn)一步求解不同濃度的溶液表面吸附量Γ,并做出Γ-c曲線。因此采用Excel軟件來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并且Excel軟件也是學(xué)生所熟悉的應(yīng)用軟件。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)Excel2007軟件及其工具中的“規(guī)劃求解”可快速、簡(jiǎn)便、并不用編程就能綜合處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3.2b、c、b值的擬合該方法所依據(jù)的基本原理是用γ-c關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)求Γ。因在稀濃度范圍,用希斯科夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式可以較好地表達(dá)γ-c關(guān)系:常b值約為0.3,而a值為比純?nèi)軇┧谋砻鎻埩Φ图s12%所對(duì)應(yīng)的溶液濃度。將一組濃度-表面張力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用NewtonMarkuardt法作非線性最小二乘擬和,可以求解希斯科夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式中的待定常數(shù)a和b。在等溫條件下將式(1)作表面張力對(duì)濃度求導(dǎo)得:將(2)代入吉布斯吸附等溫式得到(3)式:因此,在確定了待定常數(shù)a,b后,便可以計(jì)算溶液在相應(yīng)濃度的表面吸附量Γ。3.3表面質(zhì)量的測(cè)定具體的操作是首先加載Excel“規(guī)劃求解”的宏;然后進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和公式編輯并繪制γ-c曲線;利用“規(guī)劃求解”求出常數(shù)a,b;再利用公式(3),編輯公式可計(jì)算不同濃度的表面吸附量Γ,然后畫出Γ-c曲線。表2是學(xué)生測(cè)定的乙醇水溶液表面張力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),測(cè)定時(shí)溫度為20℃,γ0=72.75mN·m-1,圖1和圖2分別為利用Excel繪制的γ-c曲線及Γ-c曲線圖。學(xué)生在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)只要將溫度T、該溫度下所對(duì)應(yīng)的溶劑表面張力γ0和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的不同濃度和表面張力的數(shù)值重新輸入,并做規(guī)劃求解,不需要重新輸入公式和作圖就可求常數(shù)a、b,再計(jì)算溶液表面吸附量并繪制γ-c及Γ-c曲線,處理過(guò)程簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確。4系統(tǒng)壓力值更準(zhǔn)確通過(guò)實(shí)踐這三項(xiàng)改進(jìn)辦法,得到下述結(jié)論:測(cè)定溶液折射率來(lái)確定乙醇溶液濃度使待測(cè)乙醇溶液濃度的確定操作更為簡(jiǎn)單和方便;用數(shù)字式微壓差計(jì)替代酒精壓力計(jì)使測(cè)得系統(tǒng)壓力值更準(zhǔn)確和精確,操作也更簡(jiǎn)便;用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),克服了圖解法手工處理數(shù)據(jù)誤差大且煩瑣的缺點(diǎn),采用EXCEL“規(guī)劃求解”的辦法不用編寫復(fù)雜的程序,只需輸入測(cè)量數(shù)據(jù)便可一氣