最大泡压法测定溶液表面张力实验报告

1、最大泡压法测定溶液表面张力实验报告一.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. 掌握最大泡压法测定溶液表面张力的原理和技术。3. 掌握计算表面吸附量和吸附质分子截面积的方法。 二卖骑原理1表面张力和表面吸附图1液体表而与内部分子受力情况图液体表面层的分子一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液 面外部气体分子的吸引，由于前者的作用要比后者大，因此在液体表面层中，每 个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力，如图1所示，这种吸引力 使表面上的分子自发向内挤促成液体的最小面积，因此，液体表面缩小是一个自 发过程。在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积

2、，体系的吉布斯自由能的增 值称为表面吉布斯自由能（Jnf?）,用丫表示。也可以看作是垂直作用在单位 长度相界面上的力，即表面张力（Nm"） o欲使液体产生新的表面AS,就需对其做表面功，其大小应与AS成正比， 系数为即为表面张力Y:二 Y x 0（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，分子间的作用 力发生变化，表面张力也发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的 多少。水溶液表面张力与其组成的关系大致有以下三种情况：（1）随溶质浓度增加表面张力略有升高；（2）随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些；（3）溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表

3、面张力几乎不再改 变。以上三种情况溶质在表面层的浓度与体相中的浓度都不相同，这种现象称为 溶液表面吸附。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。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：式中，厂为溶质在表层的吸附量，单位mol n?, Y为表面张力，c溶质的浓度。(霁若dc t<o,则r>o,此时表面层溶质浓度大于本体溶液，称为正吸附。引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性剂。若尤t>o,则r<

4、;o,此时表面层溶质浓度小于本体溶液，称为负吸附。通过实验测得表面张力与溶质浓度的关系，作出rc曲线，并在此曲线上&任取若干点作曲线的切线，这些切线的斜率就是与其相应浓度的()C T,将此值 代入(2)式便可求出在此浓度时的溶质吸附量厂。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。2. 最大泡压法测表面张力原理图2最大泡压法测液体表而张力装担测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大泡压法其测量方法基本 原理可参见图2o图中B是管端为毛细管的玻璃管，与液面相切。毛细管中大气压为炖'试管A 中气压为p,当打开活塞E时，C中的水流出，体系压力p逐渐减小，逐渐把毛

5、细管液面压至管口，形成气泡。在形成气泡的过程中，液面半径经历：大一小一 大，即中间有一极小值此时气泡的曲率半径最小，根据拉普拉斯公式, 气泡承受的压力差也最大：Ap = po _ p = 2Y/r(3)此压力差可由压力计D读出，故待测液的表面张力为：Y= r x 竹/2(4)若用同一支毛细管测两种不同液体，其表面张力分别为八、Y：,压力计测 得压力差分别为 5、&则：Y1/Y2 二31/2(5)若其中一种液体的八己知，例如水，则另一种液体的表面张力可由(5)上式求得。即:丫2 = （Y1/AP1）x APz = K X Ap2式中：K= （Y1/AP1）称为仪器常数，可用某种己知表面张

6、力的液体（常用蒸镉水） 测得。三. 仪器与试剂最大泡压法表面张力仪，精密数字压力计，吸耳球，移液管（各种量程）， 容量瓶（50mL）,正丁醇（分析纯）,蒸饰水。四. 实验步骤1. 仪器准备与检漏将洁净的表面张力仪各部分连接好。将自来水注入抽气管C中；在试管A中注入约50mL蒸馆水，使毛细管下端 较深地浸入到水中；打开活塞E,这时抽气管C中水流出，使体系内的压力降低 （注意：勿降低到使毛细管口冒泡），当压力计指示出若干压力差时，关闭活塞 E,停止抽气。若2min3min内，压力计指示压力差不变，则说明体系不漏气， 可以进行实验。2. 仪器常数K的测量调节毛细管或液面高度，使毛细管口与水面相切。打

7、开活塞E抽气，调节抽 气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间为为6s10s。 若形成时间太短，则吸附平衡來不及在气泡表面建立起來，测得的表面张力也不 能反映该浓度之真正的表面张力值。在形成气泡的过程中，液面半径经历：大一 小一大，同时压力差计指示值的绝对值则经历：小一大一小的过程，记录下绝对 值最大的压力差，共三次，取其平均值。再由附录中，查出实验温度时水的表面 张力丫”则可以计算仪器常数3. 系列浓度正丁醇水溶液表面张力的测定配制 50mL 浓度为 0. 05、0. 10、0. 15、0. 20、0. 25、0. 30 mol L'1 的系列正 丁醇溶液，与测仪器

8、常数相同的方法，按由稀到浓的顺序测定各溶液最大压力差, 求出各溶液的表面张力Y。测定管每次应用待测液淌洗一次。五. 数据处理数据记录参考格式（计算时注意单位换算）温度：24.5°C水的表面张力：72.01*10-3仪器常数K: 0. 1281*10溶液浓度/mol L'1压力差A p/kPaY/(xlO'"N m*x)XI0" (dr/de) Ir /mol m<123平均 值00. 5620. 5630. 5620.56272.28-0. 244800. 050. 4630. 4630. 4630.4635932-0. 20625.063E

9、-050. 10. 3880. 3870. 3860.38749.58-0. 16778.234E-050. 150. 340. 340. 340.34043.56-0. 12929.514E-050.20. 3030. 3040. 3030.3033&86-0. 09078.904E-050. 250. 2720. 2720. 2740.27334.94-0. 05226.402E-050.30. 2480. 2490. 2480.24831.82-0. 01362.009E-051.查出实验温度下水的表面张力，计算仪器常数乩六. 注意事项1. 所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，

10、其管口刚好与液面相切。2. 读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。3. 手动做切线时，可用镜面发。七. 思考题1. 毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切？如果毛细管端口插入液面有一 定深度，对实验数据有何影响？答：确保实验的准确性。如果将毛细管末端插入到溶液内部，毛细管内会有 一段水柱，产生压力P',则测定管中的压力Pr会变小，pmax会变大，测量 结果偏大。2. 最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？如果气泡逸出的很 快，或几个气泡一齐出，对实验结果有无影响？答：因为在最大压力差的时候才是气泡破裂的时候，才能测到表面张力。如 果气泡逸出得很快，就不容易读到最大压力差，对结果会产生较大的误差。3. 本实验为何要测定仪器常数？仪器常数与温度有关系吗？答：因为用同一支毛细管测两种不同液体，其表面张力为Y1, 丫 2,压力计测 得压力差分别为API, AP2,则y1/y2=AP1/ZP2 ,若其中一液体丫1己 知，则丫 2二KXAP2其中K=yl/APl，试验中测得水的表面张力丫1,就能求出 系列正丁醇的表面张力。温度越高，仪器常数就越小。附：水/空气界而的表而张力Y温度/°crxio3/N ml温度厂Crxio3/N m'1温度厂crxio3/N m'1075. 642072