实验D12 最大泡压法测定溶液的表面张力.doc

实验D-12 最大泡压法测定溶液的表面张力实验目的用最大泡压法测定十六烷基氯代吡啶水溶液的表面张力，求得它的临界胶束浓度。实验原理凡能显著降低液体的表面张力(或两相间界面张力)的物质称为表面活性剂，表面活性剂的分子有共同的特点，即分子结构具有不对称性，分子由极性部分(或称亲水基团)和非极性部分(或称憎水基团)组成。它在两相界面上以极性部分“溶入”极性溶剂(如水、乙醇)，而以非极性部分“溶于”非极性溶剂(多数有机物，俗称油)中，在界面上形成定向排列使界面不饱和力场得到某种程度上的平衡,从而降低表面张力(或界面张力)。表面张力随表面活性物质浓度变化见图D12-1。当表面活性物质浓度很稀时，其分子大多聚集在表面，表面张力随浓度的增加而急剧下降(图D12-1中A) .当浓度增加到足够多，溶液的表面被表面活性分子定向排列布满 (见图D12-1中B),如果再继续增加表面活性物质的浓度，表面活性物质分子能“挤入”表面的数量很小，留在溶液内部的表面活性物质分子以几十、几百个地聚焦在一起，排列成憎水基向里，亲水基团朝外的胶团(也称胶束)，表面活性剂形成胶团(或胶束)的最小浓度叫做临界胶束浓度，以CMC. (即：Critical Micelle Concentration)表示。临界胶束浓度即图中B点，过了B点，继续增加浓度，表面相浓度变化很小，故表面张力下降很慢，如图中C。实际情况因杂质影响，常在临界胶束浓度附近出现一极小点。 Rr 时间图D12-1表面活性剂溶液表面张力s与浓度关系 图D12-2 最大泡压法原理测定溶液的表面张力方法很多，本实验采用最大泡压法和液面接触的毛细管鼓出空气泡时，需要高于外界大气压力的附加压力，以克服表面张力。根据Laplace公式 r1和r2是气液界面的二个主曲率半径，当气泡是球形时r1r2R(R为球半径)，s为表面张力，P为附加压力。只要毛细管很细，气泡曲面可看成是球形的。当气泡刚生成时，曲面几乎是平的，R最大，P最小。随着气泡长大，R变小，P增大，当R等于毛细管半径时(此时气泡成半球状)，P最大，气泡继续长大，即R又变大，直至气泡逸出(图D12-2) 。 当Rr时，DPmax2s/r，可从U形压力计或数字压力计上读出，实际测量时，使毛细管刚与液面接触，从而忽略鼓泡所需克服的液体静压力。DPmax可直接用DPmax =rgDh进行计算当用密度为r的液体作U形压力计介质时，测得与DPmax相应的最大压差为Dhmax ,则 式中 (g为重力加速度)，称为仪器常数。 在实验中可使用已知表面张力的物质(本实验中用纯水)来标定K的值，知道K以后待测溶液由实验获得Dhmax，可求得s。仪器与试剂实验装置见图D12-3。 毛细管要求出泡均匀，最好在纯水中测量Dhmax达14cm左右，不可内径太粗，否则误差大，毛细管头部必须平整光滑，不沾油污，以免出泡不均匀。溶液：十六烷基氯代吡啶溶液, 00004M，O0006M，00008M，0001M，0.0015M，0.0018M，0.002M。实验步骤1.实验前用新配制洗液把毛细管浸泡，然后分别用自来水和蒸馏水洗涤干净，再用蒸馏水煮后备用。图D12-3最大泡压法测表面张力 2.洗净试管，用蒸馏水淌洗后，再加蒸馏水，调节毛细管高度，使毛细管刚接触液面，如图D12-3接好仪器(不能漏气)。试管按装在恒温槽中。 3.调节恒温槽中温度为250.l（夏天为300.l）。打开数字压力计的电源，单位调节在“mmH2O”，采零备用。方法参见“饱和蒸气压测定”实验。 4缓缓打开滴液漏斗旋塞滴液，使气泡尽可能缓慢而且均匀地鼓出，约5-10s一个气泡待数字压力计读数稳定后，读取数字压力机最大示数hmax，读数三次，取平均值。求出仪器常数K。 5.依次从稀到浓的被测溶液测定表面张力，方法和4相同。每次更换溶液不必洗涤试管和毛细管，只需倒掉原溶液后用待测新溶液少许淌洗试管两次即可，注意测表面活性剂溶液时，溶液要沿管壁慢慢加入，防止大量起泡。测定时也应放掉十几个气泡后，才读出最大压差，不能让泡沫在液面上过多堆积影响溶液浓度和形成静压差。6.实验结束后，用蒸馏水洗净仪器，试管中加入蒸馏水，并将毛细管浸入水中保存。讨论：通常讲溶液表面张力指体相(或本体:bulk)和表面相达到平衡时表面张力即平衡表面张力或静表面张力，但最大泡压法测定时气泡表面积(即气液界面积)随时间而变化，气泡表面积胀大，将使得表面上吸附的溶质浓度变稀，如果溶质从体相内部迁移到表面相的速度很慢，测出的表面张力将随着泡速而变化，称为动表面张力，它和平衡表面张力有较大的差值。故用最大泡压法测平衡表面张力，泡速要慢，对于一些从体相迁移到表面相速度很慢的物质，即使泡速很慢，测出的表面张力实际上仍是动表面张力,往往和用其它方法测定值相差较大，即通常所讲最大泡压法平衡性能较差但它对测定冶金中液态金属有较大优越性，可把耐高温毛细管插在液态金属中，而远距离测出P。 实验数据处理 各种温度下纯水的表面张力温度 15 20 22 23 24 25 26 27 28 29 30水表面张力dynecm73.4972.7572.4472.2872.1371.9771.8271.6671.5071.3571.18 实验数据记录 仪器常数K第一次实验第二次实验 第三次实验 平均值 hmax(cm) K实验值 以log10 C 为横座标，s为纵座标，在方格座标纸上作图，在稀的一端，实验点在一直线上，而浓的一端在另一直线上，两直线交点即为临界胶束浓度C.M.C.需列出浓度数值 浓度 (moll) hmax(cm) logC s 样品浓度一二三平均(dynecm) 00004M 00006M 00008M 00010M 00015M O0018M 00020M 实验温度C.M.C附录：文献上多用log10C而不用ln C，采用log10C对s作图,原因是来自希什科夫经验公式 图D12-4 作图求临界胶束浓度式中s0为纯溶剂表面张力;s为溶液表面张力;C为浓度;b为常数，它对不同物质有大致相同数值;k亦为常数，它随物质而异。当C较大时，C/K l，log10(1+C/K) log 10C/K，此时s与log10 C成线性关系。而当浓度很稀时，lg(1十c/K)按泰勒级数展开，略去高次项：s0 - s bs0C/(2.303K)C。所以当溶液浓度很稀时。s和C呈线性关系。 因此，表达溶液浓度和表面张力关系时，是选择log10 C对s作图还是选择c对s作图，何者更适宜由浓度而定，当用表面张力和浓度的实验数据来确定CMC时，由于浓度较大通常用log10 C更好。当浓度大于CMC时由于生成胶束，表面张力变化很小，所以s和C成线性，log10 C和s也成线性，所以从log C 对s作图二直线交点可获得CMC。思考题（1） 最大泡压法测定表面张力时为什么要测定仪器常数？（2） 用最大泡压法测定易发泡液体的表面张力时应注意哪些问题？（3） 有些物质用（如十二烷基硫酸钠）最大泡压法测定其溶液的表面张力往往和用其它方法（如滴重法）测量结果相差较大，试简单分析其原因。参考资料1 Hugh W.