物理化学实验报告：最大泡压法测定溶液的表面张力

1、最大泡压法测定溶液的表面张力、目的要求1、了解表面张力的性质、表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系。2、掌握用最大气泡压法测定表面张力的原理和技术。 3、测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。、实验原理 1、表面自由能 从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程，欲使液体产生新的表面A，就需对其做功，其大小应与A成正比： W·A （1） 它表示液体表面自动缩小趋势的大小，称为比表面自由能，其量纲为J·m-2。因其量纲又可以写成N·m1，所以还可称为表面张力。其量值与溶液的成分、溶质的浓度、温度及表

2、面气氛等因素有关。 2、溶液的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，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。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： （2） 式中：为溶质在气液界面上的吸附量（单位为mol·m-2）；T为热力学温度（K）；c为稀溶液浓度（mol·L-1）；R为摩尔气体常数。 当 < 0时，> 0称为正吸附；当 > 0时，< 0称为负吸附。 前

3、者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质叫表面活性物质；后者表明加入溶质使液体表面张力升高，此类物质叫非表面活性物质。本实验测定正吸附情况。3、饱和吸附量和溶质分子的横截面积在一定的温度下，吸附量与浓度c之间的关系，可用Langmuir吸附等温式表示 （3）式中为饱和吸附量，K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（4）以c/对c作图，得一直线，该直线的斜率为 。如果以N代表1m2表面上溶质的分子数，则有：(5) 其中：L为阿伏加德罗常数，由此可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积为： （6） 4、表面张力的测定方法最大泡压法 当毛细管下端端面与被

4、测液体液面相切时，液体沿毛细管上升。打开抽气瓶（滴液漏斗）的活塞缓缓放水抽气，此时测定管中的压力Pr逐渐减小，毛细管中的大气压P0就会将管内液面压至管口，并形成气泡。其曲率半径恰好等于毛细管半径r时，根据拉普拉斯（Laplace）公式，此时能承受的压力差最大： (7) 随着放水抽气，大气压力将把该气泡压出管口。曲率半径再次增大，此时气泡表面膜所能承受的压力差必然减少，而测定管中的压力差却在进一步加大，故立即导致气泡的破裂。最大压力差可通过数字式微差测量仪得到。用同一个毛细管分别测定具有不同表面张力（1和2）的溶液时，可得下列关系 （8）其中：K' 称为毛细管常数，可用已知表面张力的物质

5、来确定。、仪器 试剂表面张力测定装置 恒温水浴阿贝折光仪 滴管烧杯（20ml） 乙醇（分析纯）、实验操作步骤1、配置溶液：用称重法粗略配制5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%的乙醇水溶液各50ml待用。2、调节恒温水浴至25（或30）。3、测定毛细管常数： 将玻璃溶液认真洗涤干净，在测试管中注入蒸馏水，使管内液面刚好与毛细管口相接触，至于恒温水浴内恒温10min。毛细管需垂直并注意液面位置，然后按图接好测量系统。慢慢打开抽气瓶活塞，注意气泡形成的速率应保持稳定，通常控制在每分钟8-12个气泡为宜，即数字微压微压差测量仪的读数（瞬间最大压差）约在700-800p

6、a之间。读数3次，取平均值。4、测量乙醇溶液的表面张力 按实验步骤三分别测量不同浓度的乙醇溶液。从稀到浓依次进行。每次测量前必须用少量被测溶液洗涤试管，尤其是毛细管部分，确保毛细管内外溶液的浓度一致。 5、分别测定乙醇溶液的折光率、数据记录与处理 1.数据记录：项目微压差p(kpa)折光率n水-0.7651.33255%乙醇-0.6631.335510%乙醇-0.5931.338015%乙醇-0.5391.340620%乙醇-0.5091.343525%乙醇-0.4781.346530%乙醇-0.4521.349135%乙醇-0.4501.351640%乙醇-0.4221.

7、35392.数据处理：（1）以纯水的测量结果按方程计算K值。解得K=1p1=71.97*10-3N*m-1/(-0.765kpa)=0.094（2）根据所测折光率，由实验提供的浓度-折光率工作曲线查出各溶液的浓度。项目折光率n浓度mol/L5%乙醇1.33550.89610%乙醇1.33801.70615%乙醇1.34062.44520%乙醇1.34353.21725%乙醇1.34654.10330%乙醇1.34914.81635%乙醇1.35165.47940%乙醇1.35396.365（3）分别计算各种浓度溶液的值压力差P/Kpa折光率溶液浓度/mol*L-1表面张力(d/dc)Tc/mo

8、lm25%乙醇-0.6631.33550.8960.0623-7.445632717310%乙醇-0.5931.33801.7060.0557-6.311638595615%乙醇-0.5391.34062.4450.0507-5.277046162620%乙醇-0.5091.34353.2170.0478-4.196258052625%乙醇-0.4781.34654.1030.0449-2.955882414330%乙醇-0.4521.34914.8160.0425-1.9576124438235%乙醇-0.4501.35165.4790.0423-1.0294236642940%乙醇-0.4

9、221.35396.3650.03970.2110-11545033（4）作-c图，并在曲线上取10个点，求得相应的斜率为(d/dc)TY=0.0007X2-0.0087X+0.0689 R2=0.9918求导得Y=0.0014X-0.0087 将(d/dc)T的值填入上表（5）根据方程求算各浓度的吸附量，作出c/-c图，由直线斜率求取，并计算B值。Y=151011X+142371直线斜率为151011则=1/151011=6.62 E-6计算分子截面积：A = 1/6.62E-6 /6.02E23 = 2.51E-19 m2计算吸附层厚度： = M / = 6.62E-6* 46.07/0.

10、7852E6 = 3.88E-10(m)、问题讨论1、在测量中，如果抽气速度过快，对测量结果有何影响?答：本实验的关键在于控制抽气速率，气泡形成的速率应保持稳定，若抽气速率过快，气泡形成过快，使测量读数偏高，影响测量结果。即气泡逸出速度太快，气泡的形成与逸出速度快而不稳定；致使压力计的读数不稳定，不易观察出其最高点而起到较大的误差。2、 如果将毛细管末端插入溶液内部进行测量行吗？为什么？答：不行。如果那样做就会在毛细管中产生一段水柱，产生压力，则测定管中的压力就会变大，使测量结果变大。即将毛细管末端插入到溶液内部时，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。 3、本实验中为什么要读取最大压力差？答：如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，根据拉普拉斯(Laplace)公式，此时能承受的压力差为最大：pmax = p0 - pr = 2/。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。最大压力差可通过数