溶液表面张力的测定

1、物理化学实验实验五：溶液表面张力的测定 一一最大气泡法实验人：沈勇分六学号：2006011712同组实验者：米硕、任河实验日期：2009-5-7提交报告日期：2009-5-21 带实验的老师姓名：王力实验题目 溶液表面张力的测定 一一最大气泡法沈勇/2006011712、分六（同组实验者姓名：米硕、任河）实验日期2009-5-7 提交报告日期：2009-5-21带实验的老师姓名：王力1引言1.1实验目的1测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力。2根据吉布斯公式计算正丁醇溶液的表面吸附量。3掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术。1.2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

2、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(1)N'dA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

3、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,遵守吉布斯公式:c (dRT(dc)TP从热力学方法可知它们之间的关系（2）式中：r为表面吸附量（mol *m）； ?为表面张力（N *mJ）； c为溶质的浓度31（mol *m ）； T为热力学温度（K）； R为气体常数（8.314 JmolK ）。-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

4、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2-17-1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2-17-1（1）所示

5、，浓度逐渐增加时，分子的排列如图2-17-1（ 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2-17-1（ 3）所示。Mi MHMB图2-17-2表|町抿力马浓度的关系_ 二= rfTfc p F =-=K=二 U 二二1 Z-l,. J, 1 I, 1 ! l i- J” -H- E K 二立 苹仝 二二二图 2-1T-1 披吸Pfi的分子在界面上的排列如果作出一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。根据一c等温曲线，可以用作图法求出不同浓度的丨值（见图2-17-2 ）。在 一c等温曲线上取一点 a,过a点做

6、曲线的切线以及平行于横坐标的直线分别交于d 丫Z纵坐标轴于b、b'令bb = Z,则Z = -c（）Tp，带入（2）式，=。从丫 c等温曲deRT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：-kc（3）1 +kc式中】：为饱和吸附量，k为常数。上式可以改写为如下的形式:若以c/丨对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2-17-3所示。IS 2-17-3测崔左而鞭力製置4毛细管的压力讣 囂抽代瓶仁大述竹B2-17-4将待

7、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2-17-4。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 Lap lace方程人2=P(5)r即=丄：p(6)2其中r是气泡恰呈半球形时的半径，因

8、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：2 - h2V故有1- =h'h1(7)也h2式中的:h1、巾2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2.1实验药品、仪器型号表面张力测定装置；1

9、000ml、500ml烧杯各1个；100ml容量瓶7个；50ml、25ml移 液管各1支；滴管1支；洗耳球1个0.4000mol?dm-3、0.5000 mol?dm-3 正丁醇水溶液。USB数据采集器、AD8201H接线表、LZ-P2微压（差压）计、CK-1 （ B）型温度测量 控制仪实验装置图如图1所示。图2-17-11表面张力测定联枫程测義置图1实验装置图2.2实验条件（实验温度、湿度、压力等）室温27.1 C，气压100.44kPa，水槽温度：26.08C2.3实验操作步骤及方法要点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0.4、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02

10、5以及0mol?dm-3的正丁醇水溶液。2. 测定仪器常数装置如图2-17-11。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 开始”按钮, 记录基线2030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67个峰，点击 完成” 存盘”保存数据。S2-17-12 数聒采集卑面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（4数据处理0.0250.5 mol dm

11、-3）正丁醇溶液。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。3结果与讨论3.1原始实验数据表1计算机数据处理给出的c与表面张力及吸附量 r的关系浓度 c(mol/L)表面张力( N/m)吸附量F ( mol/m 2)0.0250.067481.76007E-060.0

12、50.064772.64010E-060.10.058073.52013E-060.150.054723.96015E-060.20.051054.22416E-060.250.051534.40017E-060.30.046584.52589E-060.40.041964.69351E-060.50.043394.80018E-06由实验原理可以知道，溶质的浓度越大，则表面张力丫应该越小，但由实验结果可以看出，c=0.25mol/L和c=0.5mol/L两个点的结果是异常的，由上述所有数据计算出的饱和吸附量r=-6.2019E-5 mol/m2,也是异常的。故在实验数据的后续处理过程中剔除这

13、两个点。另外， 其他组的同学同样出现了这样的情况，因而推测原因可能是因为实验室所提供0.5000mol/L的正丁醇水溶液的浓度是不准确的。表2剔除异常点后c与表面张力及吸附量r的关系浓度 c(mol/L)表面张力丫 ( N/m)吸附量F ( mol/m 2)0.0250.06748991.91484E-060.050.06477752.87225E-060.10.05807643.82967E-060.150.05472584.30838E-060.20.05105624.59561E-060.30.04658884.92386E-060.40.04196185.10623E-06dY另外，由

14、软件处理得到的饱和吸附量r =5.7445E6 mol/m在0.025mol/L0.4mol/L之间，取8个点，根据Z = -c()T P由软件处理得到8个z值, dc ，Co(mol/L)0.0250.071880.11880.16560.21250.25940.30620.3531Z (N/m) X020.47620.84241.00521.09721.15641.19761.22801.2513见下表。表3 软件处理得到的Z值23.2计算的数据、结果1用表面张力对浓度C作图，如图2所示E N>召巽if-： J'ff'Z的浓度c/nnolLT图2表面张力与正丁醇浓度的

15、关系2、利用计算机给出的 Z值，由r= Z/RT计算不同浓度溶液的r值，并计算出ci I值。计算结果如表4所示（其中温度 T = 26.08C）表4不同浓度c下的r值及c/ I值c/mol/Lz/(N/m)r /( mol/ m2)c/ F /(m2 /L)0.0250.00476161.91398E-61.30618E40.0718750.00842433.38625E-62.12256E40.118750.01005224.04060E-62.93892E40.1656250.01097234.41045E-63.75529E40.21250.01156384.64821E-64.5716

16、6E40.2593750.01197614.81394E-65.38800E40.306250.01227994.93605E-66.20435E40.3531250.01251305.02975E-67.02073E43、作“ c/Tc”图，由直线斜率求出Ro作出ci T c图如图3所示6000030000一0.0I10.1 0.20.4正肿的浓JiC/mol L '图3正丁醇的c/ P c图由图可得到直线的斜率为1/ r= 1.74157 X105 m2/mol因而饱和吸附量 r«= 5.7419 XI0-6 mol/ m 23.3讨论分析数据分析比较比较计算机处理结果和

17、自己处理的实验结果如表5所示表5计算机处理结果与实验处理结果比较比较项目计算机处理结果实验处理结果误差最大吸附量 r（mol/m）5.7445E-65.7419E-60.045%可以看出，计算机处理的结果和自己处理得到的实验结果误差很小，可以认为实验结果是准确的。误差分析本实验中的误差主要是有以下几个原因造成的：1、毛细管要和液面垂直并且刚好接触。由于实验要测定的是最大的气泡，故端口与液面相 切测得的实验结果才是准确的，但是由于这在实验操作上很难实现，而且重复性差。2、 正丁醇溶液的浓度。从实验数据的处理过程中可以看出，浓度c多次被使用，因而浓度 是否准确对实验结果的影响很大。3、抽气瓶的滴水

18、速度。滴水速度直接影响出泡速度，过快或过慢都会对实验结果有影响， 故在实验一开始的时候调节好后就不再调节，以保证在整个实验过程中出泡速度恒定。4结论由计算机处理得到的饱和吸附量r= 5.7445 W-6 mol/ m 2自己处理得到的饱和吸附量5.7419 XI0-6 mol/ m 2两者的误差为0.045%5参考文献1朱文涛物理化学（上册）北京：清华大学出版社，1995.135138。2清华大学化学系物理化学实验编写组.物理化学实验北京：清华大学出版社,1991. 287296。3北京大学化学院物理化学实验教学组.物理化学实验北京：北京大学出版社,2002. 134136。1992. 161165。4复旦大学等.物理化学实验北京：高等教育出版社,6实验思考题1、要做好这个实验的关键因素有哪些？答：1、仪器干净以及样品纯净，如果仪器不干净或药品被污染，则所配溶液的浓度 不准确，这样测得的