最大压差法测表面张力.doc

中国石油大学（课程名称）实验报告实验日期： 2012.10.24 成绩： 班级： 石工11-06 学号： 11021274 姓名： 陈本军 教师： 王增宝 同组者： 董洁明 殷靖杰 实验二 最大压差法测表面张力一.实验目的1.掌握最大压差法测定表面张力的原理及方法；2.测定正丁醇水溶液的表面张力，了解表面张力的概念及影响因素；3.学习 Gibbs 公式及其应用。二.实验原理由于净吸引力的作用，处于液体表面的分子倾向于到液体内部来，因此液体表面倾 向于收缩。要扩大面积，就要把内部分子移到表面来，这就要克服净吸引力作功，所作 的功转变为表面分子的位能。单位表面具有的表面能叫表面张力。在一定温度、压力下纯液体的表面张力是定值。但在纯液体中加入溶质，表面张力 就会发生变化。若溶质使液体的表面张力升高，则溶质在溶液相表面层的浓度小于在溶 液相内部的浓度；若溶质使液体的表面张力降低，则溶质在溶液相表面层的浓度大于在 溶液相内部的浓度。这种溶质在溶液相表面的浓度和相内部的浓度不同的现象叫吸附。 在一定的温度、压力下，溶质的表面吸附量与溶液的浓度、溶液的表面张力之间的关系，可用吉布斯（Gibbs）吸附等温式表示：式中 吸附量（mol/L）；c吸附质在溶液内部的浓度(mol/L)； 表面张力（N/m）； R通用气体常数（N.m/K.mol）； T绝对温度（K）。若 d /dc0,溶质为正吸附；若 d /dc0，溶质为负吸附。通过实验若能测出表 面张力与溶质浓度的关系，则可作出 c 曲线，并在此曲线上任取若干个点作曲线的 切线，这些曲线的斜率即为浓度对应的 d /dc，将此值代入 21 式可求出在此浓度时 的溶质吸附量。测定液体表面张力的方法有许多种。本实验采用最大压差法，测定装置如图21。图2-1 表面张力测定装置测定时，将分液漏的活塞打开，使瓶内压力增加，气泡即可通过毛细管（要求它的尖嘴刚刚与液面接触）。从浸入液面的毛细管端鼓出空气炮时，需要高出外部大气压的 附加压力，以克服气泡表面张力。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的（图 2-2）。此时附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式如下：式中 P广口瓶内滴水形成的附加压力；R气泡的曲率半径；表面张力（N/m）。当气泡开始形成时 ，表面几乎是平的，这是曲率半径最大，随着气泡的形成，曲 率半径逐渐变小，直到形成半球形，这是曲率半径与毛细管半径 r 相等，曲率半径达最 小值，根据 2-2 式，这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R 变大，附加压力则变 小，直到气泡溢出。图 22 气泡最小曲率半径示意图如果用图 2-1 装置，分别测出一种已知表面张力的液体（例如水）和另一未知表面 张力液体（如正丁醇水溶液）的附加压力最大值，这时因为 R=r，所以,式中：p1 已知表面张力液体的最大附加压力；1 已知液体的表面张力。式中：p2 未知表面张力液体的最大附加压力；2 未知液体的表面张力。因为两种液体的最大附加压力（即最大压差）是在同一仪器的同一毛细管测的。所以，上两式的 r 是相同的，若将 r 消去即得：因此，在同一温度下，只要测得P1、P2，再由温度查出已知表面张力液体（水）的表面张力；即可由公式（2-5）求出未知液体的表面张力。三.仪器与药品1仪器 最大压差法测表面张力装置一套，洗瓶，吸耳球。2.药品 正丁醇（分析纯），蒸馏水。四.步骤1.用洗液洗表面张力测定仪的外套管和毛细管。方法是在外套管中放入少量洗液, 倾斜转动外套管,使洗液与外套管接触( 注意不要让洗液从侧管流出 ).再将毛细管插入, 这时保持外套管倾斜不动,转动毛细管,使洗液与毛细管接触,再用洗耳球吸洗液至毛细 管内,洗毛细管内壁.用完的洗液倒回原来瓶中,然后用自来水充分冲洗外套管和毛细管, 最后用蒸馏水冲洗外套管和毛细管各三次,即可进行下面实验。2.在外套管中放入蒸馏水(作为已知表面张力的液体,其表面张力见附录二),将毛 细管插入外套管,塞紧塞子,并使毛细管尖端刚碰到液面。3.关闭滴液漏斗下活塞，在滴液漏斗中加入自来水。按图 21 所示将表面张力测定装置管线流程接上。4.打开精密数字压力计电源，然后打开漏斗上活塞，将管线内压力放空。安精密数字压力计的采零键，使精密数字压力计的示数至零。5.打开分液漏斗的活塞，使分液漏斗中的水慢慢滴入广口瓶中，这时瓶内压力 逐渐增加，气泡将通过毛细管端。从斜管压力计读出第一个气泡通过毛细管端时的最高液位 h1,如此重复三次，测三个平行数据，取平均值得 h2。6.测完蒸馏水的最大压差后，倒掉蒸馏水，用 0.02mon/L 的正丁醇洗一次外套管 和毛细管，然后再加入该溶液，象测蒸馏水的最大压差一样，测定该溶液的最大压差。 依次侧得 0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mom/L 的正丁醇溶液的最大压差。（注意：每更换一次溶液，都应用待定液洗外管套管和毛细管）。7.记录实验温度。五：结果处理1. 有附录一查出：t=21 =72.28mN/m=7.22810-2 2. 由公式计算不同浓度正丁醇溶液的表面张力。H2O0.020.050.10.150.20.250.30.35P10.2550.234 0.2120.2020.1700.1620.1540.150 0.138P2 0.2480.236 0.2080.1940.1730.1600.1520.142 0.140P30.2620.238 0.2100.1980.1820.1680.1570.145 0.1330.255 0.236 0.2100.1980.1750.1630.15400.146 0.137 0.07230.06690.0595 0.0561 0.04960.0462 0.0437 0.0414 0.0388 以0.02mol/L的正丁醇溶液为例计算：0.0723=0.0669N/m3. 以表面张力为纵坐标，以浓度为横坐标，画出正丁醇溶液的图。4在图上选若干点浓度范围（0.040.20mol），做不同浓度曲线的切线，依Gibbs公式求出相应的表面吸附量，画出正丁醇溶液的吸附等温曲线。 根据拟合曲线公式： 计算出在0.040.20mol各点的切线的斜率 以c=0.04mol/L数据为例计算： 可知，在c=0.04mol/L处的切线斜率为-0.1334，又因为T=21+273=294K，,则c(mol)0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 2.1830 3.0904 3.87184.53305.07145.48705.77805.95015.9894正丁醇溶液的吸附等温曲线六.思考题1.实验中，如果毛细管深入液面 1mm 会造成多大误差？答：会使最大附加压力增大很多。从而使表面张力增大很多。2.实验中，为什么要尽量放慢鼓泡速度？答：为了让气泡逐渐形成，使曲率半径逐渐变小最后达到与毛细管半径相等，曲率半径达最小。鼓泡过快气泡来不及形成，达不到曲率半径最小，会造成实验测量误差。3.实验中，为什么要求从稀到浓逐个测定不同浓度溶液的表面张力？答：减少由于残留正丁醇对于浓度的影响而造成的实验误差，使实验更加的精确。4.解释-c 曲线的变化趋势。答：开始时，曲线变化速率很快，随浓度增加，变化速率逐渐变慢。因为，当溶液极稀时，表面活性剂分子在溶液中的分布只有一种动平衡。由于浓度极稀，表面上表面活性剂分子彼此不影响，所以可平铺于液面。因此，表面活性剂对表面张力有显著影响。由于表面活性剂分子在表面浓度增加，所以他们不能像极稀溶液情况下平铺，而是倾斜于液面，因此对表面张力的影响就减小，表现为表面张力随浓度增加而下降减小。当浓度增至某一数值，表面活性剂在溶液表面吸附达到饱和，并紧密排列，活性分子开始向溶液内部分布。开始形成胶束。在浓溶液中，表面活性剂动平衡关系不变，但胶束数量不断增加。变化趋势表现为十分平缓。5.实验中，影响表面张力测定准确性的因素有哪些？答：影响准确性的因素主要有仪器的气密性，毛细管与液面的接触距离，以及气泡是否缓慢的鼓出。七.实验总结通过本实验，我了解了用最大压差法测定表面张力的原理与方法，具体学会了测定正丁醇溶液的表面张力的过程，基本掌握了表面张力的概念及影响因素。这次实验让我更加加深了对吉布斯公式的理解和应用。同时让