精选表面张力的测定

1、PAGE PAGE 7大学化学实验 = 2 * ROMAN II实验报告物理化学实验 学院：化学与化工学院 专业： 班级： 姓名实验日期实验时间学号指导教师实验工程名称外表张力的测定实验目的掌握最大泡压法测定液体外表的方法，了解外表张力测定的因素。测定不同浓度正丁醇溶液的外表张力，计算吸附量，并由外表张力的实验数据求分子的外表积。实验原理 外表张力是液体的重要性质之一，它是因外表层分子受力不均衡所引起的。如液体与其蒸气构成的系统：液体内部的分子与周围分子间的作用力是球形对称的，可以彼此抵消，合力为零，而外表层分子处于力场不对称的环境中，液体内局部子对它的作用力远大于液面上蒸气分子对它的作用力，

2、从而使它受到指向液体内部的拉力作用，故液体都有自动缩小外表积的趋势。从热力学观点来看，液体外表缩小是使系统总吉布斯函数减小的一个自发过程，如欲使液体产生新的外表A，就需对其做功，其大小应与A成正比： G =W= A 1 比例系数从能量的角度被称为比外表吉布斯函数，即为恒温恒压下形成1m2新外表所需的可逆功，其单位为Jm-2。从物理学力的角度看，可被理解为沿着外表、和外表相切、垂直作用于单位长度相界面线段上的外表紧缩力，即外表张力，其单位是Nm-1。在定温下纯液体的外表张力为定值，当参加溶质形成溶液时，外表张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和参加量的多少。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂

3、的外表张力时，外表层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的外表张力升高时，它在外表层中的浓度比在内部的浓度低，这种外表浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的外表吸附。在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的外表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，为溶质在外表层的吸附量；为外表张力；c为吸附到达平衡时溶质的浓度。 引起溶剂外表张力显著降低的物质叫外表活性物质，0，即产生正吸附的物质；反之称为外表惰性物质，0，即产生负吸附的物质。被吸附的外表活性物质分子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图1看出。 图1 被吸附的分子在界面上的排列图1中(1)和(

4、2)是不饱和层中分子的排列，(3)是饱和层分子的排列。 图2 外表张力和浓度关系图 当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在不断改变，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层，分子排列方式如图1中(3)所示。这样的吸附层是单分子层，随着外表活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，那么此界面的外表张力也就逐渐减小。如果在恒温下绘成曲线=f(c)(外表张力等温线)，当c增加时，在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至的变化很小，这时的数值恒定为某一常数(见图2)。利用此图求出其在一定浓度时曲线的切线斜率，代入吉布斯吸附方程就可求得外表吸附量。或者在曲线上某一浓度c

5、点作切线与纵坐标交于b点，再从切点a作平行于横坐标的直线，交纵坐标于b点，以Z表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，故有： 3根据朗格缪尔(Langmuir)公式：单分子层吸附 4其中 为饱和吸附量，即外表被吸附物铺满一层分子时的吸附量，整理可得： 5 以 c/ 对 c 作图，得一直线，该直线的斜率为1/，即可求得饱和吸附量。由所求得的 代入： 6可求被吸附分子的截面积(L为阿佛加得罗常数)。 假设溶质的密度，分子量M，就可计算出吸附层厚度 ： 7而测定溶液的外表张力有多种方法，如毛细管上升法、滴重法、拉环法等，而以最大气泡法压力法泡压法较方便，应用较多。先来考察一下气泡的形成过程：将待测外

6、表张力的液体装于测定管中，使毛细管的端面与液面相切，液面即沿毛细管突然上升，缓缓翻开减压瓶的下端活塞，毛细管内液面上受到一个比减压瓶中液面上大的压力，当此压力差附加压力(p=p大气- p系统)在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的外表张力时，气泡就从毛细管口脱出。 如果毛细管半径很小，那么形成的气泡根本上是球形的。当气泡开始形成时，外表几乎是平的，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，根据下式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力那么变小，直到气泡逸出。附加压力与外表张力成正比，与气泡的曲

7、率半径成反比，遵循拉普拉斯公式： 8 式中， p为附加压力；为外表张力；R为气泡的曲率半径。 实际测量时，使毛细管端刚好与液面接触，那么可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力，这样就可直接用上式进行计算。在实验中，如果使用同一支毛细管和压力计，那么可以用外表张力的液体为标准如蒸馏水，分别测定标准物和待测物的最大附加压力，通过比照计算求未知液体的外表张力，其中水/ p水那么被称为仪器常数： 9根据此法所测得的外表张力，使用上面介绍的方法就可以求出所测物质在溶液中的饱和吸附量、被吸附分子的截面积和吸附层厚度。实验仪器和试剂仪器：外表张力力管一支；外表张力教学实验仪DMPY-2C一台；鼓泡毛细管一支；滴液漏

8、斗一个；10ml移液管一个；5ml刻度移液管一支；250m容量瓶一个，50ml容量瓶9个；50ml简式滴定管一支；洗耳球一个；恒温水浴一套。试剂：正丁醇AR；酸洗液；蒸馏水。实验步骤酸洗液清洗毛细管和玻璃仪器，按要求连接好装置的气密性。并记录一次实验室温度计大气。翻开外表张力教学实验仪电源开关，预热10分钟。将外表张力教学实验仪与大气相连，待仪器数值稳定后，清零。用水做标准物质，测定仪器室温下的常数K。在外表张力管中注入适量的蒸馏水，调节液面，时毛细管下端面恰好与液面相切，按实验要求将实验仪器连接好，并在滴管漏斗中参加约三分之二体积的自来水。调节滴液漏斗的旋塞，使气泡进毛细管缓慢均匀的向液面鼓

9、出，鼓泡速度控制在5020个每分钟，且气泡一个接一个的间断鼓出。这时，读取外表张力教学仪所显示的数据最大值P最大。按要求配置一系列浓的的正丁醇水溶液，其浓度分别为0.02mol/l、0.04mol/l、0.06mol/l、0.08mol/l、0.10mol/l、0.12mol/l、0.16mol/l、0.20mol/l、0.24mol/l。待测正丁醇溶液外表张力的测定。用少量待测溶液润洗支管试管及毛细管。将上述4中的蒸馏水依次换成不同浓度正丁醇水溶液，按浓度由稀到浓的顺序重复步骤四的操作。实验结束后分别用 和蒸馏水仔细将毛细管和外表张力管冲洗23次，并放回原处。再将毛细管洗液浸泡。在记录一次实

10、验室温度，并于第一次记录的实验室温度结合，取平均值，作为试验温度。 实验考前须知1测定系统不能漏气，减压管上端通大气活塞一定要关紧，不能漏气。2所用毛细管必须干净，不能堵，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。3减压管中液体流动速度要好好调，不要太快。4读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。实验原始数据记录开始： 温度=17.8 大气压=88.95kpa结束：温度=17.8 大气压=88.79kpa水的 P最大 =622kpa不同浓度正丁醇水溶液极其P最大浓度mol/l0.020.040.060.080.100.120.160.200.24P最大 (kpa)5985535364994

11、75467425409391实验数据处理平均温度=17.8 平均大气压=88.87kpa外表张力浓度关系曲线由上图可计算的个点的，结合温度制的下列图正丁醇溶液吉布斯吸附等温线：再以c/对c作图得知该直线的斜率为0.013107，那么根据1/=1.3105 1/K=0.811107所以 正丁醇饱和吸附量=1/1.3105=7.69210-6molm-2问题讨论及误差分析问题讨论：1、在毛细管升高法中，影响实验结果的因素有哪些？答：毛细管及试管的洁净程度；毛细管的内径大小内径小，测量的高度误差小；毛细管粗细是否均匀；毛细管内半径的测量是否准确； = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 测量

12、时，毛细管是否垂直液面。2、在用滴重法测水溶液的外表张力是，需要注意些什么？答：毛细管中不宜加过多的水，应该使毛细管球体中的液面稍高于毛细管的最高处，从而使水从毛细管末端慢慢滴下；在搜集水滴的时候，保持动作轻快，既要完整地搜集到每一滴水，又不能使装置震动；称量时，应在称量瓶上盖上瓶盖，减少水的蒸发，使实验结果更加准确；测量毛细管外径时要正确使用游标卡尺，正确读数。3、毛细管插入深度对实验是否有影响？为什么？答：一般来说，是没影响的。但在另一种情况下，毛细管插入深度对实验有影响，对于本实验，毛细管的长度是有限的，随着毛细管插入深度的增加，露在溶液外部的毛细管长度减少，倘假设外部的毛细管长度低于正常测量时液柱的高度，相应的，毛细管内的液柱也会下降，测得的高度也就减少。因为毛细管中的的液柱是不会流出毛细管的。也就是物理上所说的毛细永动机不可能存在。误差分析：假设是以滴重法为标准数据，可以看出毛细管升高法的实验误差更大，这是毛细管升高法的方法误差和读书时的偶然误差一起的。1毛细管放置是否竖直及干净程度对实验会带来误差。2读数误差大，包括测量液柱高度时用的是一般的直尺，精度仅为小数点后一位，估读一位；测量毛细管内径时读数显微镜，经屡次调节，视野中物象仍旧模糊，溶液与管壁界面不清晰，读数误差大。3.在实验