实验十一最大气泡法测定溶液地表面张力报告材料

1、实验十一 最大气泡法测定溶液的表面张力11.1 实验目的11.1.1 测定不同浓度正丁醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和正丁醇分子的 横截面积；11.1.2 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；11.1.3 掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。11.2 实验原理11.2.1 表面自由能 物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面分子受到向内的拉力，所以 液体表面都有自动缩小趋势。如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉 力而做功。在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面增加 dA 所需做的功，叫 表面功，可表示为：-SW = odA(11.1)式中，o为比例

2、常数。o在数值上等于当T、p和组成恒定的条件下增加单位表面积时所必须对体系 做的可逆非膨胀功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。环境 对体系作的表面功转变为表面层分子比内部分子多余的自由能。因此，o称为表面自由能，其单位是Jm-2。若把o看作为作用于每单位长度边缘上的力，通常称为 表面张力。从另外一方面考虑表面现象， 特别是观察气液界面的一些现象，可以觉察到 表面上处处存在着一种张力，它力图缩小表面积，此力称为表面张力，其单位是 Nm-1。表面张力是液体的搬弄是重要特性之一。与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。纯液体的表面张力通常是指该液体与饱和了其本身蒸 气的空

3、气共存的情况而言。溶液的表面吸附纯液体表面层的组成与内部组成层相同，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 比溶液的内部来得大；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做溶液的表面吸附。从热力学方法可知它们之间的关系遵守Gibbs吸附方程:(11.2)Cr -RT c式中：I表面吸附量(mol m-2 ) 溶液表面张力(N m-1)T 热力学温度(K)c

4、 溶液浓度(mol m-3 )R 气体常数(8.3145J .K-1 .mol -1)。以表面张力o对溶液浓度c作图，可得到d c曲线，在d c曲线上任选一 点I作切线，即可得该点所对应浓度 Ci的斜率(d OdCi)T ,可求得不同浓度下的I值 和得出I c的关系图。在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir 等温式表示:Kc1 Kc(11.3)式中:r表面饱和吸附量(mol m-2 )K 经验常数(与溶质的表面活性大小有关)将(11.3)式转化成直线方程为：C C 1(11.4)r r k r若以c/ic作图可得一直线，由直线斜率可求出 r假若在饱和吸附的情况下，在气液界

5、面上铺满一单分子层，则可应用下式求得被测物质的分子横截面积S0 NFSo:(11.5)式中N为阿佛加德罗常数(6.022 X1023mol -1最大泡压法将被测液体装于测定管中，使玻璃管下端毛细管端面与液面相切，液面沿毛 细管上升。打开分液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而减少系统压力。这样毛细管内 液面受到一比试管中液面上大的压力，当此压力差在毛细管端面上产生的作用力 大于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 数字式微压差测量仪读出。其关系式为：P max =(11.6)S1-L1-1最丸气泡法测定表面张力的装置图L烧杯；£鬲液羁斗：虫数字武徽医差1M量世：4

6、.恒溫装置工莆育立营的试管；毛细管如果毛细管半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总压力为冗r2pmax 0气泡在毛细管受到的表面张力引起的作用力为2冗r 0-0刚发生气泡自毛细管逸出时，上述两力相等，即:nr2p max =nr2 p=2nro(11.7)=r p/2(11.8)若用同一根毛细管，对两种具有表面张力为O1和o的液体而言，则有下列关系：01= 02p P2= K P1(11.9)式中K为仪器常数。11.3实验仪器和试剂恒温装置1套带有支管的试管（附木塞）1支毛细管（半径为0.150.02mm）1根容量瓶（50mL）数字式微压差测量仪1台烧杯(200mL)1只洗耳球1个移液管1

7、支滴管1支正丁醇（分析纯）10.4 实验步骤将仪器洗涤干净并按图U -11-1装置。对需干燥的仪器作干燥处理。1142调节恒温为30 C。11.4.3 正丁醇溶液配制：分别准确配制 0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mol.dm -3 正丁醇溶液各 100mL 。 （注：纯正丁醇的加入量分别为：0.1482、0.3706、0.7412、1.1118、1.4812、1.8530、2.2236、2.5942g ，加 水至近100mL，在30 C恒温15min，用30 C恒温的蒸馏水加至100.00mL刻度）。11.4.4 仪器常数测定：先以蒸馏水作为待测

8、液测定其仪器常数。方法是在测定管 中注入蒸馏水，将干燥的毛细管垂直地插到使毛细管的端点刚好与水面相切，置 于恒温水浴内恒温10min。注意使毛细管保持垂直并注意液面位置，然后按图U -11-1 接好系统。打开滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡速度约为 5s10s1 个。在毛细管口气泡逸出的瞬间最大压差约在 700Pa800Pa 左右（否则 需调换毛细管 ）。通过手册查出实验温度时水的表面张力，利用公式 （11.9），求出仪器常数 K。11.4.5 待测样品表面张力的测定，用待测溶液洗净试管和毛细管，加入适量样品于试管中，按照仪器常数测定的方法，测定已知浓度的待测样品的压力差p ， 代入

9、公式（11.9）计算其表面张力。11.5实验注意事项测定用的毛细管一定要洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地流过，而使 压差计读数不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。毛细管一定要保持垂直，管口刚好与液面相切。气泡形成速度应稳定；在数字式微压差测量仪上，应读出气泡单个逸出时 的最大压力差。11.6数据记录及处理（一）实验数据正丁醇溶液的配制表1.正丁醇溶液的配制室温25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa100ml容量瓶1#2#3#4#5#6#7#8#V正丁醇/ml0.20000.50001.0001.5002.0002.5003.0003.500c正丁醇=p正丁醇V

10、正丁醇/ M正丁醇/（100X10-3) /mol dm-3， M 正丁醇=74.12gmol -1,p正丁醇=0.8098g dm -3c正丁醇0.02180.05460.10930.16390.21850.27310.32780.38243/mol dm53仪器常数的测定表2.仪器常数的测定室温25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa待测物质p H2O /Pa(T仪器常数K123平均值/N m-1/N m-1 Pa-1H2O6936926926927.118 X10-29.4529 X10-5计算公式：K=孔。/ PH2O (N m-1 Pa-1)正丁醇溶液表面

11、张力的测定表3.正丁醇溶液表面张力的测定室温25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa正丁醇浓度/mol m-3Ap/Pa(T/N m-1123平均值21.856846826836830.0645654.636496506496490.06135109.35725745735730.05416163.95215215225210.04925218.54814804824810.04547273.14464464464460.04216327.84194204204200.03970382.44034024024020.03800作旷c图，求出曲线上不同浓度c点处的(?

12、 o/?c)t,p,并计算相应浓度的r0.0650.0600.0550.0500.0450.0400.035a =0.06769-0.1362C+0.15426c2050100150200250300350400-3c/mol m图1. aC关系曲线图曲线拟合方程：a= 0.06769-1.36212 Xl0-4c+ 1.54201 X10-7C2(N m-1)(? o/?c)t,p=-1.36212 X10-4+2 X1.54201 X10-7c(N m2 mol -1)1= - c/8.3145/303.15 Xd o/d c(mol m-2)表3.正丁醇溶液表面张力的计算室温25.00

13、C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa正丁醇浓度a-(?a/?C)T,prc/ r3/mol m/N m-1/N m 2 mol -1/ mol m -2/m -150.000.0612612.1 X10 -52.40 X10 -62.09 X10 7100.00.0556110.5 X10 -54.18 X10 -62.39 X10 7150.00.050739.00 X10-55.35 X10 -62.80 X10 7200.00.046627.45 X10-55.91 X10-63.38 X10 7250.00.043275.91 X10-55.86 X10 -64.2

14、6 X10 7300.00.040704.37 X10-55.20 X10 -65.77 X10 7图2. c/ rc关系直线图直线斜率 k= 1/ r= 1.729 X105m2mol-1 ,氏=5.784 X10-6 m-2 mol -1求乙醇分子的横截面积So。So=1 /L r=1.729 X105/(6.022 X1023)=0.287 X10-18m2=0.287 nm(二)实验数据乙醇溶液的配制表1.乙醇溶液的配制室温25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa容量瓶编号1#2#3#4#5#6#7#8#m乙醇/g4.2888.91411.1818.0224

15、.3930.1834.9644.3878466559c乙醇=m乙醇/M乙醇/(100X10-3) /mol dm-3, M 乙醇=46.08g . mol -1c乙醇0.9301.9352.4273.9125.2956.5527.5899.6353/mol dm91674051仪器常数的测定表2.仪器常数的测定室温25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa待测物质p H2O /Pa(T/N m-1仪器常数K/N m-1 Pa-1123平均值H2O10381038103810387.118 x10-26.857 X10-5计算公式：K= oH2o/ PH2o (N m-

16、1 Pa-1)乙醇溶液表面张力的测定表3.乙醇溶液表面张力的测定室温25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa乙醇浓度/10 3mol . m-3Ap/PaT/N m-1123平均值0.93097927947937930.054381.93516726726726720.046082.42766356356356350.043543.91275355355355350.036695.29544744744744740.032506.55184364364364360.029907.58954174174174170.028609.63513853853853850.0

17、2640作旷c图，求出曲线上不同浓度c点处的(? o/?c)t,p,并计算相应浓度的r0.0650.0600.05510.0500.0400.0350.0452o=0.06769-0.1362 c+0.15426 c0.00 0.050.10 0.15 0.200.25 0.30 0.35 0.40-3c/mol m图1. “c关系曲线图曲线拟合方程：d= 0.06769-0.1362 c+0.15426 c2(? o/?c)t,p=-0.1362+2 X0.15426 c1= - c/8.3145/303.15 xd o/d c(mol m-2)表3.乙醇溶液表面张力的计算室温25.00 C

18、；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa乙醇浓度o -(?o/?c)prc/ r3/mol m-3/N.m -1/N m 2 mol -1/ mol m -2/m -11.000 X1030.0540811.31 X10-54.487 X10-62.228 X1081.500 X1030.049268.352 X10-54.970 X10-63.018 X1082.000 X1030.045606.540 X10-55.189 X10-63.854 X1082.500 X1030.042675.363 X10-55.319 X10-64.700 X1083.000 X1030.040234.546 X10-55.411 X10-65.544 X1083.500 X1030.038133.941 X10-55.473 X10-66.395 X1084.000 X1030.036303.467 X