溶液表面张力的测定——最大气泡法.pdf

物理化学实验 表面张力测量 化工系 毕啸天 2010011811 1 溶液表面张力的测定溶液表面张力的测定 最大起泡法最大起泡法 姓名 毕啸天 学号 2010011811 班级 分 0 同组人姓名 李文昊 实验日期 2013 年 6 月 1 日 提交报告日期 2013 年 6 月 5 日 1 引言引言 1 1 实验目的实验目的 1 明确表面张力 表面自由能和吉布斯吸附量的物理意义 2 掌握最大压力气泡法测定表面张力的原理和技术 3 计算表面吸附量和吸附质分子的截面积 1 2 实验原理实验原理 在液体内部 任何分子受周围分子的吸引力是平衡的 可是表面层的分子受内层分子的 吸引与受表面层外介质的吸引并不相同 所以 表面层的分子处于力不平衡状态 表面层的 分子比液体内部分子具有较大势能 如欲使液体产生新的表面 就需要对其做功 在温度 压力和组成恒定时 可逆地使表面积增加 dA 所需做的功为 WdA 1 比例系数 表示在等温等压下形成单位表面所需的可逆功 其数值等于作用在界面上每 单位长度边缘的力 称为表面张力 纯物质表面层的组成与内部的组成相同 因此纯液体降低表面自由能的唯一途径是尽 可能缩小其表面积 对于溶液 由于溶质使溶剂表面张力发生变化 因此可以调节溶质在表 面层的浓度来降低表面自由能 根据能量最低原则 溶质能降低溶剂的表面张力时 表面层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 表面层溶质的浓度比内部的浓度低 这种表面浓度与 溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附 显然 在指定的温度和压力下 溶质的吸附 量与溶液的浓度及溶液的表面张力随浓度的变化率有关 从热力学方法可知它们之间的关系 遵守吉布斯公式 TP cd RTdc 2 式中 为表面吸附量 2 mol m 为表面张力 1 N m c为溶质的浓度 3 mol m T为热力学温度 K R为气体常数 8 314 1 J mol K 值可正可负 正值为正吸附 负值为负吸附 显然 不仅能表明吸附的性质 而且 其值还能说明表面吸附的程度 0 表明无吸附现象 其值越远离 0 表明吸附程度越大 溶于液体中使表面张力降低的物质称为表面活性物质 反之 称为非表面活性物质 在 水溶液中 表面活性物质有显著的不对称结构 它是由极性 亲水 部分和非极性 憎水 部分构成的 在水溶液表面 一般极性部分取向溶液内部 而非极性部分则取向空气部分 对于有机化合物来说 表面活性物质的非极性部分为碳氢基 而极性部分一般为 NH2 OH SH COOH SO3等 表面活性物质分子在溶液表面的排列情况 随其在溶液中的浓度不同而异 图 1 表示分 子在界面上的排列 在浓度极小的情况下 物质分子平躺在溶液表面上如图 1 1 所示 浓度逐渐增加时 分子的排列如图 1 2 所示 最后当浓度增加至一定程度时 被吸附的 分子占据了所有表面 形成饱和的吸附层 如图 1 3 所示 物理化学实验 表面张力测量 化工系 毕啸天 2010011811 2 如果作出 c的等温曲线来 可以看出 在开始时 随c之增加而下降很快 而以后 的变化比较缓慢 根据 c等温曲线 可以用作图法求出不同浓度的 值 见图 2 在 c等温曲线上取一点 a 过 a 点做曲线的切线以及平行于横坐标的直线分别交于 纵坐标轴于 b b 令 bb Z 则 Z T P d c dc 带入 2 式 Z RT 从 c等温曲 线上取不同的点 就可以得出不同的 Z 值 从而可以求出不同浓度的吸附量 吸附量与浓度之间的关系可以用朗格缪尔等温吸附方程表示 在一定温度下 吸附量与 溶液浓度之间有如下关系 1 kc kc 3 式中 为饱和吸附量 k为常数 上式可以改写为如下的形式 1cc k 4 若以 c 对c作图 应为一直线 其斜率的倒数即为 本实验采用最大气泡法测定表面张力 装置如图 3 将待测液体装入大试管 4 将端口磨平的毛细管 1 垂直安装 使其端口恰好触及液面 若液体能润湿毛细管壁 液面沿毛细管上升 打开抽气瓶 3 的活塞抽气 则毛细管内液面上 受到一个比外边液面较大的压力 气泡将自管口内壁逐渐形成 见图 4 开始时形成的气泡 曲率半径很大 随后半径逐渐变小 泡内外的压力差逐渐增加 当形成的气泡刚好是半球形 图 1 被吸附的分子在界面上的排列 图 2 表面张力与浓度的关系 图 3 测定表面张力装置 1 毛细管 2 压力计 3 抽气瓶 4 大试管 图 4 管口气泡形成示意图 物理化学实验 表面张力测量 化工系 毕啸天 2010011811 3 时半径最小 泡内外压力差达到最大值 此后半径又逐渐变大 压力差逐渐下降 从而使气 流冲入气泡内最终将其吹离管口 在此过程中 最大压力差p 可由 U 形压力计 2 上读出 根据 Yonug Laplace 方程 2 p r 5 即 2 r p 6 其中 r 是气泡恰呈半球形时的半径 因此是毛细管的内半径 若用同一支毛细管和压力计 对两种具有不同表面张力 1 和 2 的液体进行测量 下列 关系式成立 11 22 h h 故有 2 111 2 hK h h 7 式中的 1 h 2 h 为 U 型压力计两边读数之差 K 值对同一支毛细管及同一种压力计介质是 常数 称作仪器常数 由已知表面张力的液体作标准求出常数 K 便可用上式求其它液体的 表面张力 本实验需要测量气泡脱离毛细管端口瞬间的压力 这是一个动态过程 目视读数比较困 难 采用计算机联机数据采集技术 能够快速记录压力变化数据 通过压力变化曲线观察气 泡形成过程 相比目视读数 准确性和可操作性大大提高 2 实验操作实验操作 2 1 实验药品和仪器实验药品和仪器 CK 1 B 型温度测量控制仪 北京林元佳业科技有限公司 CJ 3 磁力搅拌器 北京林元 佳业科技有限公司 微压计 清华大学化学实验中心 100ml 容量瓶 50ml 25ml 移液管 洗耳球 滴管 0 4mol L 与 0 5mol L 的正丁醇水溶液 去离子水 2 2 实验操作步骤实验操作步骤 1 溶液配制 用容量瓶及所给正丁醇水溶液配制浓度分别为 0 5 0 4 0 3 0 25 0 2 0 15 0 1 0 05 0 025 以及 0mol dm 3的正丁醇水溶液 2 测定仪器常数 装置如图 5 调节三通阀使连 接抽气瓶 a 口与连接数字式压力 计 b 口导通 以下步骤同上 当气 泡形成的速率调节好后开始采集 数据 打开计算机 运行 数据采集 程序 调节三通阀使 a b c 口 都导通 点击参数设置 选择 15s 确定后点击 开始 按钮 记录基线 20 30 秒 调节三通阀 使 a b 导通 随着压力变化曲线 逐渐升高 当气泡吹出 压力曲线 迅速降低 之后又逐渐升高 随着 下一气泡吹出 压力曲线又迅速 降低 记录 6 7 个峰 点击 完 成 存盘 保存数据 计算机界 物理化学实验 表面张力测量 化工系 毕啸天 2010011811 4 面如右图所示 3 测定正丁醇溶液的表面张力 同样方法 分别测定不同浓度 0 025 0 5 mol dm 3 正丁醇溶液 4 数据处理 打开数据处理程序 点击 表面张力 按 打开 按钮 调出 压力变化曲线 移动 光标至 基线 点击 压力端点 1 移动光标至峰顶 点击 压力端点 2 再移动光标 至基线 点击 压力端点 1 移动光标选择另外一个峰的峰顶 点击 压力端点 2 重复 三次 点击 提交 峰高数值即显示在下面的数据栏内 将所有曲线处理完成 填上相关 数据 点击 数据处理 处理结果即可显示在相关的数据栏内 计算机界面如下图所示 2 3 实验实验条件条件 室温 22 相对湿度 44 大气压 100 7 kPa 恒温平均温度 30 1 3 数数据处理据处理 3 1 原始数据原始数据 表 1 实验原始数据 mol L c mV E N m N m mol m m 106 0 0 3651 0 07118 0 03215 0 0 025 0 3617 0 07052 0 02083 1 9057 0 05 0 3329 0 06295 0 00804 2 9946 0 1 0 295 0 05751 0 01366 4 1923 0 15 0 2644 0 05155 0 01072 4 8371 0 2 0 2402 0 04683 0 00990 5 2402 0 25 0 2388 0 04656 0 00845 5 5159 0 3 0 2095 0 04084 0 01455 5 7165 0 4 0 1984 0 03868 0 01283 5 9887 0 5 0 1903 0 03710 0 01153 6 6148 3 2 数据数据处理处理 直接对图中的数据以点作图如下 物理化学实验 表面张力测量 化工系 毕啸天 2010011811 5 图 5 表面张力测量原始数据 由此数据可以看出有两个点明显出现异常 舍去这两点重新作图 并用 3 次多项式进行 拟合如下 图 6 表面张力 浓度拟合曲线 为了求取 Z 及吸附量 取拟合曲线上的点作曲线的切线 如下图所示 00 050 10 150 20 250 30 350 40 450 5 0 04 0 045 0 05 0 055 0 06 0 065 0 07 0 075 0 08 浓 度 c mol L 表面张力 N m 00 050 10 150 20 250 30 350 40 450 5 0 04 0 045 0 05 0 055 0 06 0 065 0 07 0 075 0 08 浓 度 c mol L 表面张力 N m 物理化学实验 表面张力测量 化工系 毕啸天 2010011811 6 图 7 表面张力 浓度曲线切线 根据截距求出 Z 值 计算吸附量 并由 cc 作图如下 图 8 cc 作图 对此图进行线性拟合得到 0954 04313 1 101 5 c c R2 1 000 根据 1cc k 故此直线斜率的倒数即代表 计算得 26 5 mol m109866 6 104313 1 1 00 050 10 150 20 250 30 350 40 450 5 0 03 0 035 0 04 0 045 0 05 0 055 0 06 0 065 0 07 0 075 0 08 浓 度 c mol L 表面张力 N m 00 050 10 150 20 250 30 350 4 0 1 2 3 4 5 6 7 x 10 4 浓 度 c mol L c 103m 1 物理化学实验 表面张力测量 化工系 毕啸天 2010011811 7 4 结论结论 正丁醇水溶液的饱和吸附量 26 mol m109866 6 5 参考文献参考文献 物理化学 朱文涛 清华大学出版社 物理化学实验 清华大学化学系物理化学实验编写组 清华大学出版社 6 思考题思考题 1 要做好这个实验关键因素有哪些 1 毛细管要和液面垂直并刚好接触 同时保证固定毛细管的橡皮塞盖紧 保证大试 管的密封 若密封度低 则气泡溢出段不稳定 而且压力下降段会太长 2 仔细调节抽气瓶的滴水速度 出泡速度不可太快 3 溶液配制要准确 大试管及毛细管要洗干净并润洗 按浓度从低到高的顺序测量 4 表面张力对温度敏感 每次都应将溶液在恒温槽中静置一段时间 恒温后再测量 2 气泡形成速度过快对结果有何影响 气泡形成过程中会在一瞬间经历压差的最大值 若形成速度太快则可能会难以捕捉压差 最大点的出现 另外气泡的形成的短暂时间内是一个非稳态的过程 形成速度过快则可能对 周围溶液产生扰动 若形成速度适中则可以有充分的时间建立平衡 3 为什么毛细管口要和液面刚好接触 毛细管内径均匀与否对结果有无影响 如果毛细管管口未接触液面 自然不会形成气泡 如果毛细管管口深入液面下方太多 则测出的压差就包括了液面下方高度所产生的水压 但是每次实验又很难保证深入液面下方 的距离相同 就导致了实验的误差 但是刚好接触比较难以判断 一般让管尖稍稍没入水下 肉眼可以分辨即可 无影响 实际上毛细管主体部分没有太大作用 主要起作用的是毛细管尖部分 若毛细 管端口半径过大 则会导致峰值变小 不便于数据处理 增大误差 若毛细管端口半径过小 则实验需要的时间变长 主要应该保证