实验五 最大泡压法测表面张力 2

深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称： 物理化学实验(1) 实验项目名称： 最大泡压法测定溶液的表面张力 学院： 化学与化工学院 专业： 应用化学 指导教师： 周晓民 报告人： 赖思香 学号： 2011140146 班级： 11 应用化学 01 班 实验时间： 2013-05-10 实验报告提交时间： 2013-05-31 教务处制 实验五 最大泡压法测定溶液的表面张力 一 实验目的 1. 了解表面张力的性质，表面、表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系。 2. 掌握用最大气泡压法测定表面张力的原理和技术。 3. 测定不同浓度正丁醇/水溶液的表面张力，计算表面吸附量和正丁醇分子的横 截面积。 二 实验原理 从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小 的过程，欲使液体产生新的表面 A，就需对其做功，其大小应与 A成正比: (1) 如果 A为 1m2，则- W= 是在恒温恒压下形成 1m2 新表面所需的可逆功，所 以 称为比表面吉布斯自由能，其单位为 Jm-2。也可将 看作为作用在界面上每 单位长度边缘上的力，称为表面张力，其单位是 Nm-1。在定温下纯液体的表面张 力为定值，当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质 的性质和加入量的多少。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面 层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层 中的浓度比在内部的浓度低，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面 吸附。在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间 的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程: (2) 式中， 为溶质在表层的吸附量; 为表面张力;C 为吸附达到平衡时溶质在介 质中的浓度。 当 0 称为正吸附；当 0 时，0 称为负吸附。吉布 斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。 引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，被吸附的表面活性物质分 子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图-23-1 看出。 图-23-1 中 (1)和(2)是不饱和层中分子的排列，(3)是饱和层分子的排列。 当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足 够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层，分子排列方式如图 -23-1(3)所示。这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈 益紧密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。如果在恒温下绘成曲线 =f(C) (表面张力等温线) ，当 C 增加时， 在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来， 以至 的变化很小，这时 的数值恒定为某一常数 (见图-23-2)。利用图解法进行 计算十分方便，如图-23-2 所示，经过切点 a 作平行于横坐标的直线，交纵坐标 于 b点。以 Z 表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，显然 Z 的长度等于 ， 图-23-1 被吸附的分子在界面上的排列图 -23-2 表面张力和浓度关系 图 (3) 以不同的浓度对其相应的 可作出曲线，=f(C) 称为吸附等温线。 根据朗格谬尔(Langmuir)公式: (4) 为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的 ， (5) 以 C/对 C 作图，得一直线，该直线的斜率为 1/。 由所求得的 代入 A=1/L 可求被吸附分子的截面积(L 为阿佛加得罗常数)。 若已知溶质的密度 ，分子量 M，就可计算出吸附层厚度 测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大气泡法和扭力天平法。 三 仪器和试剂 表面张力测定装置一套, DPA 精密数字压力计 蒸馏水 H2O, 洗耳球，滴管，1000mL 烧杯 ，100mL 小烧杯 0.05、0.1 、0.2 、0.3 、0.4 、0.5 、0.7 moldm -3 正丁醇水溶液 四 实验步骤 1. 开启 DPA 精密数字压力计的电源开关，预热 5min。减压瓶内注入水，开启 减压瓶上方的旋塞使系统与大气相通，按 DPA 精密数字压力计的“采零”键，使 读数为零，然后再将减压瓶上方的旋塞关闭。 2. 测定管中注入蒸馏水，使管内液面刚好与毛细管口相接触，慢慢打开抽气瓶活 塞排水，当气泡形成的速度保持稳定时，记录最大的压强差，重复测量 3 遍，记录。 3. 同上法，测量 0.05、0.1 、0.2 、0.3 、0.4 、0.5 、0.7 moldm-3 正丁醇水溶 液。 4. 实验结束，彻底洗净测定管，注入蒸馏水到和毛细管相切位置。关闭仪器的电 源。整理实验台面。 五 实验数据记录 实验温度 28.7 气压： 101.90 Kpa 浓度/ moldm -3 水 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 p1/kPa -0.674 -0.577 -0.526 -0.475 -0.443 -0.385 -0.336 -0.290 p2/kPa -0.673 -0.575 -0.528 -0.476 -0.436 -0.384 -0.336 -0.289 p3/kPa -0.672 -0.574 -0.527 -0.475 -0.434 -0.383 -0.337 -0.290 p 平均 /kPa -0.673 -0.575 -0.527 -0.475 -0.438 -0.384 -0.336 -0.290 六 实验数据处理 1.调用 Excel 专用程序计算各溶液的表面张力 ，绘制 c等温线，求出不同浓度 溶液的表面吸附量 。 2. 绘制 C/-C 图，由直线的斜率为 1/求出饱和吸附量 3.正丁醇分子的横截面积 A=1/L A=1/L=1/(3.36E-56.02E23)m2=4.94E-20 m2 七 实验结果与讨论 本实验利用表面张力性质，用最大泡压法测定不同浓度的正丁醇溶液的表面张 力以及其表面吸附量，实验得到 lnc- 等温线方程 y=- 0.0832x+2.4047，R2=0.9533，相关性比较大，实验结果相对比较可靠，斜率为负 值，则表面吸附量为正值，实验测定为正吸附情况。 本实验产生误差的最大原因是难以调节毛细管端面与液面相切，以及肉眼观察记 录的最大压强差有一定的误差。以及气泡的逸出速率也是一个较难控制的参数。实 验过程中有时会出现气泡过快逸出的现象。 八 注意事项 1. 抽气瓶放水的速率不能过快，抽气瓶中的蒸馏水小于一半时应将烧杯中的水注 入抽气瓶中。 2. 测定管润洗时弯管口中不能进水。 3.加入待测液时应从测定管的弯管口对侧加入，并且尽量不要使待测液进入到弯管 里面。 九 思考题 1. 为什么保持仪器和药品的清洁是本实验的关键？ 答：杂质对溶液的表面张力影响非常大，一般情况下，盐会降低液体表面张力，油 脂类物质使液体的表面张力增大，所以如果仪器和药品不清洁则表面张力的测定不 准确。 2. 为什么毛细管应平整光滑，安装时要垂直并刚好接触液面？ 答：(1)气泡形成半球形时曲率半径 R 和毛细管半径 r 相等达最小值，附加压力达 最大值，由公式可求出被测液体的表面张力。故为得到半球形气泡，毛细管尖端应 平整光滑。(2)如果毛细管尖端插入液下，会造成压力不只是液体表面的张力，还 有插入部分液体的压力。 3. 如果将毛细管末端插入到溶液内部进行测量行吗?为什么? 答：不行，如果将毛细管末端插入到溶液内部，会在毛细管中产生一段水柱，产生 压力 P则测定管中的压力 Pr 会变小，Pmax