溶液表面张力的测定-预习报告

1、实验溶液表面张力的测定最大压力气泡法实验人姓名：张晶 同组实验者姓名：周艺莹班级：环42实验日期：03/04/2006学号:2004010337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. 掌握最大压力气泡法测定表面张力的原理和技术。3计算表面吸附量和吸附质分子的截面积。实验原理1. 表面张力在液体内部，任一分子受四周分子的吸引力是平衡的，但液体表面层的分子却要受到向 内的拉力，因此要使液体的表面积增大，就必须反抗分子向内的拉力而作功，说明了分子在 表面层内比在液体内部有较大的势能，这势能就是表面自由能。在恒温、恒压及组成不变的 条件下，使表面积可逆地增加dA，体系自由

2、能的增量 dG应等于环境对体系所做的表面功S w '即dG = S w '=b dA(1)式中c为比例常数，其物理意义是在恒温恒压组成不变的条件下，增加单位表面积时引起体 系自由能的增加值， 因此c称为比表面自由能， 其量纲为Jm-2。因其量纲又可以写成 N . 1,所以c还可称为表面张力，其物理意义是沿着与表面相切的方向，垂直作用于表面单位 长度上的力。表面张力是液体的重要特性之一，它与所处的温度、压力、浓度以及共存的另 一相的组成有关。2. 溶液的表面吸附纯液体表面层的组成与内部组成相同，因此液体只能通过尽可能地缩小其表面以降低体 系的表面自由能。对于溶液，由于溶质能引起溶

3、剂表面张力的变化，因此可通过调节溶质在 表面层的浓度来降低表面能。若溶质能降低溶剂的表面张力时，则表面层中溶质的浓度大于 溶液内部溶质的浓度；反之，如果溶质能使溶剂的表面张力升高，则表面层中溶质的浓度小于溶液内部溶质的浓度。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。 在一定的温度和压力下，吉布斯用热力学的方法推导出了溶液表面吸附量与溶液的表面张力 和溶液浓度之间的关系，即c d(2) RT dc t式中r为表面超量(mol m-2) , c为溶液的表面张力(Jm-2), T为热力学温度(K), 为溶液的浓度(mol dm-3), R为气体常数。-J如果加入溶质使液体表面张力降低，

4、即-v 0,则r >0,此时溶液表面层的浓度大dc t于溶液内部的浓度，称为正吸附，此类物质称为表面活性物质。如果加入溶质使液体表面张力升高，即 >0,则r <0，此时溶液表面层的浓度小于溶液内部的浓度，称为负吸附，de t此类物质称为非表面活性物质。由吉布斯吸附等温式可看出，只要测得某一温度下不同浓度溶液的表面张力，以b e作图，在b e的曲线上作不同浓度下的切线，可获得不同浓度所对应的斜率 ，将斜de t率代入(25.2)式中，即可求出不同浓度时气一液界面上的吸附量r。e之间的关系，可用 Langmuir吸附等温式表示3. 饱和吸附量和溶质分子的横截面积 在一定的温度下，

5、吸附量r与浓度Ke式中r 为饱和吸附量,1 KeK为经验常数，其值与溶质的表面活性大小有关。将上式两边取倒数，即可化成如下直线方程e右以 e作图，可得一直线，由直线的斜率可求出r。若以N代表1m2表面上溶质的 分子数，则在饱和吸附时N = r Na(5)式中的Na为阿佛加德罗常数，由此可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积1S =N A4. 表面张力的测定方法测定表面张力的方法有许多种，主要有：(1) 毛细管上升法(2) 环法(3) 滴体积法(4) 最大压力气泡法该测定方法的装置和原理如图1所示。将下口齐平的毛细管垂直插入试液，并使管口刚好与液面相切，则可看到毛细管内形成凹液面。然后从滴液漏

6、斗中放水抽气，随着毛细管内 外压差逐渐增大，泡的曲率半径由大变小，当气泡的半径等于毛细管的内半径时，其半径达 到最小值，而泡内压力达到最大值，此时的泡内外压最大差P可由压力计测出，所以根据泡内最大的附加压力和毛细管的内半径r，就可计算表面张力厂2P(7)r2(8)图1表面张力测定装置图1.烧杯；2.抽气用的滴液漏斗;3.精密数字微压差测量仪；4恒温槽；5.支管试管；6.毛细管仪器与试剂恒温装置1套阿贝折光仪1台滴液漏斗(250mL) 1个 精密数字微压差测量仪 1台 纯水无水乙醇(A. R)毛细管(0.30.4mm)1根支管试管(2.5 x 20cm) 1个T形管1个烧杯(250mL )1个镜

7、头纸式中k为仪器常数，其值可用已知表面张力的物质测定。最大压力气泡法与接触角无关，也 不需要液体的密度数据，且装置简单，测定迅速，因此，本实验选用此法。实验步骤1. 配制溶液用称重法粗略配制 5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%的乙醇水溶液待 用。2. 测定仪器常数(1) 认真洗净毛细管和支管试管。测定用的毛细管一定要洗干净，否则气泡可能不能连续 平稳地流过，而使压差计读数不稳定。(2) 在滴液漏斗中装满水。加适量的纯水于支管试管中，调节毛细管的高低，使其管口刚 好与液面相切。然后把支管试管浸入恒温槽。一定要保持毛细管处于垂直位置。在恒温水浴 中恒温10min。(3)

8、打开滴液漏斗活塞进行缓慢抽气，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡速度约为每分 钟812个为宜。在数字式微压差测量仪上，读出气泡单个逸出时的最大压力差。重复读数三次，取平均值。3. 乙醇溶液表面张力的测定依溶液浓度由稀到浓的顺序，按测定仪器常数时的操作步骤，分别测定各种未知浓度酒 精溶液的最大压力差。每次测量前必须用少量被测液洗涤支管试管和毛细管，确保毛细管内 外溶液的浓度一致。4. 乙醇溶液浓度的测定用阿贝折光仪测定各已知浓度溶液的折光率。作出浓度折光率的工作曲线。然后测定待测样品的折光率，并从工作曲线上找出其相应的浓度值。实验记录1、实验条件2、关键操作及注意事项数据记录和数据处理1 由手册查

9、出或由下式计算出纯水在实验温度下的厂 求出仪器常数k。(t = 0 40 C )2 作d c图（横坐标浓度从零开始）,在曲线上等间隔选取610个点，分别作切In d t（N m 1） = 2.5818 1.812X 10 1t 7.037 X 10 6 t2线，求出一，并计算在相应浓度下的c T3 .作c c图，得一直线，由直线斜率求其，并计算分子的横截面积S。六、分析讨论1. 由于d c图上任一点的斜率计 算吸附量时可采用图川-252所 示的简便方法。在d c曲线上任选 一点a，过a点作切线ab交纵轴于b 点，再过a点作平行于横轴的直线a d 1交纵轴于d 1点，令Z= ad 1,则Z =

10、C1将上式代入（25.2）式得Z RT 在曲线上取不同的点就可得到不同的-(25.15)c T(25.16)Z值，从而求出不同浓度时的吸附量。由饱和吸附量，溶质的摩尔质量M和密度还可求出吸附层的度(25.17)3. 毛细管清洁处理应特别予以重视，热风吹干及电炉烘烤的办法应当避免，荡洗是 好办法，但应尽量彻底。毛细管内部可借助洗耳球，但必须细心，不应使液体进入洗耳球内。加入试样后，应充分摇匀方可测定。4. 恒温是本实验的另一重要条件。温度对、和折射率都有较大的影响。虽然质量 百分浓度与温度无关，但由于折射率随温度的波动，若温度不恒定，故难得出未知溶液的准确浓度。5. 数据处理中，各量的单位应当一致，单位不一，直线的斜率及截距将会不同。七、提问思考1. 测定表面张力时为什么要读最大压力差？2. 滴液漏