液体表面张力的测定及应用

1、 液体表面张力的测定及应用 西安交通大学实验报告 年物理 实验日 课 期： 程： 月 化学 日 交报告组 年 专业班别：日期： 号： 月 日学 姓 号：名： 教师审同组 者：批：实验名称：液体表面张力的测定及应用 一、实验目的 1. 学习和掌握最大气泡压力法测定液体表面张力的原理和方法； 2. 加深理解吉布斯表面吸附公式及其应用； 3. 了解等面积图解微分法的基本原理； 4. 学习借助计算机初步用非线性拟合法处理实验数据。 二、实验原理 1. 表面张力的测定： 本实验采用最大气泡压力法测定乙醇水溶液的表面张力，仪器如下图所 示：表面张力仪中的毛细管与待测液体面相切时，液面即沿毛细管上升。打开分

2、液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而减少系统压力，这样毛细管内液面上受到一 当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于个比试管中液面上大的压力，毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出，这一最大压力差可由数 字式微压测量仪上读出。其关系式为p?pp?p? 系统大气最大，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总压力为r 如果毛细管半径为2?pr刚发生气泡 ，气泡在毛细管受到的表面张力引起的作用力为2r。最大 自毛细管口逸出时，上述压力相等即22?rprp?2r? 最大r?p? 2的液体而言，则、若用同一根毛细管，对两种具有表面张力分别为21 有下列关系：r?p=? 112r?p=? 222?21 ?p?p

3、?21?p?12 p=?K?11p?2式中为仪器常数其单位为m。因此，以已知表面张力的液体为标准，即K可求出其它液体的表面张力，将这种测定表面张力的方法叫做最大气泡压力法。 2. 吉布斯吸附公式： 纯液体表面层的组成与内部层相同，因此，液体降低体系表面自由能的唯 一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液则由于溶质会影响表面张力，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，表面层中溶质的浓度 应比溶液内部来得大。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来得低，这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫“吸。显然，在指定温度和压力

4、下，吸附与溶液的表面张力及溶液的浓度有关，附” Gibbs用热力学的方法推导出它们之间的关系式。公式可以对于二组分溶液，当溶质的活度可用其相对浓度代替时，Gibbs 表示为：?dc? dcRT22为热力学T式中为表面吸附量（mol/m）；为溶液的表面张力（J/m；3 R为溶液浓度（温度；cmol/m为气体常数。）；?0?/dc?0?d?/dc?0?0d称时， 当 称为正吸附；反之当 时， 此类物质称表面活性物质。为负吸附。前者表明加入溶质使液体表面张力下降，后者表明加入溶质使液体表面张力升高，此类物质称非表面活性物质。因此，关系式可看出，只要测出不同浓度溶液的表面张力，以作图，从Gibbs吸附

5、公式，即可求在图的曲线上作不同浓度的切线，把切线的斜率代入Gibbs 出不同浓度时气液界面上的吸附量。 ? ）吸附公式兰格缪尔（Langmuir3. Langmuir等温式表示：在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由bc?=? bc1?b将上为饱和吸附量，式中与溶质的表面活性大小有关。为经验常数，? 式化成直线方程则：cc1 ?b?c?/c? 若以。 作图可得一直线，由直线斜率即可求出? 每个溶质分子所占据的溶液表面积即溶质分子的横截面积就可以表示为： 1 ?qL? 假若在饱和吸附的情况下，在气液界面上铺满一单分子层，则可应用下 。式求得被测物质的横截面积q 三、仪器和药品容量瓶50mL

6、表面张力仪，超级恒温槽，抽气瓶，数显压差计，胶头滴管，移液管各一支，无水乙、25mL支，5mL、10mL）13个，水银温度计（01001 醇。 四、实验步骤配制溶液。按要求用移液管移取相应体积的乙醇原始溶液到不同的1. 13种待测溶液。50mL容量瓶中，并用蒸馏水稀释至刻度，配制出管中注入蒸馏水，使测定仪器常数。把表面张力仪调节到垂直，在A2. 抽气，直到有的下端接触。然后缓缓打开抽气瓶的旋塞D液面刚刚与毛细管B逸出一个气的防水速度使得23s气泡从毛细管下端逸出。并适当调节旋塞Dp? ，并把最大压差值记录下来。泡为宜。这时持续观察数显压差计23minmax为张力面下的表纯都与温度有关。水在25

7、力的液体表面张112?p?mN?7.197?10=-R?p?K?p可以求。结合此处测得的，由maxmaxmax2得所用仪器的仪器常数。 K?p，并结合表面张力仪的仪从稀到浓依次测定配置的乙醇水溶液的3. max?。此处需要注意的是，每次测试前需要计算每一种溶液的表面张力器常数K用少量的待测液体把表面张力仪润洗两次。 五、数据记录与处理 ?p-0.533kPa 26.31. 恒温箱温度：（水）max 原始溶乙mamomomokP体(mL) -2N/m; 7.19710由文献数据25时水的表面张力为：?p?12 又由公式：p?=K?11p?2 -1-0.000135028m知仪器常数：K 2. 实

8、验记录与相关值如下表： 3. 对上表数据进行处理：: 拟合曲线-c(1) 0.17-0.50.06- - - 0.50 751500-0.-0.000.3-0.0.00.31.00031307744053306-0.0.5-0.-0.000.00.31.50027468725717301-0.0.6-0.0.00.3-0.002.00027618723790301-0.1.0-0.00-0.0.00.63.00040919040750611-0.1.3-0.0.00.6-0.004.0002722872361936 1 -0.003-0.00.680.04-0.31.715.00 52 68

9、97 61 0256739 6-0.2.4-0.0.01.3-0.007.00033460632213436-0.-0.003.0-0.0.01.39.00041741205021226-0.12.4.1-0.0.0-0.002.00450657875832301-0.15.5.1-0.-0.000.02.00280575737747836-0.18.6.1-0.-0.000.02.0018048439182883 0 -0.000-0.03.430.02-0.27.8923.0 866 029721 00 98 04 0 1 )2*ln(1?py?1p?p3*x Equation： (2)d

10、/dc-c拟合曲线： 曲线- c 拟合(3) =?0.01537，= ?则由上述图线值及报告值可知：20.01537?62106.174= 则8.314299.45? 故，乙醇分子的横截面积：112?19?=2.6910q=2?16.0?6.171 六、实验结论与讨论：2?19? 实验测得乙醇分子的截面积为：2.6910。 误差分析： 1. 实验时，压差计的读数由人为观察，长时间观察不准确，可能造成误差。气泡冒出的速度人为不易控制，而且毛细管下端可能会略微插入液面可2. 能造成一定的误差。 七、思考题： A垂直？实验中为什么要保持表面张力仪1. 那么气泡如果不能使毛细管尖端与待测溶液液面保持垂直并相切，答： 不能连续逸出，使压力计的读数不稳定，且影响溶液的表面张力。 2. 在测定过程中，如果冒气泡的速度太快会有何影响？致使气泡的形成与逸出速度快而不稳定，如果气泡逸出速度太快，答：