最大气泡法测定液体的表面张力

最大气泡法测定液体的表面力（一）、实验目的1．掌握最大气泡法测定液体的表面力的原理和方法。2．熟悉表面力的意义和性质，测定不同浓度液体的表面力。3．熟悉表面吸附的性质及与表面力的关系。（二）、实验原理溶剂中加入溶质后，溶剂的表面力要发生变化，加入表面活性物质（能显著降低溶剂表面力的物质）则它们在表面层的浓度要大于在溶液部的浓度，加入非表面活性物质则它们在表面层的浓度比溶液部低。这种表面浓度与溶液部浓度不同的现象叫溶液的吸附。显然，在指定的温度压力下，溶质的吸附量与溶液的表面力及溶液的浓度有关。从热力学可知，它们之间的关系遵守吉布斯吸附等温方程：（7—1）式中：r一为溶质在单位面积表面层中的吸附量（molf-2）；o一为溶液的表面力（N^-2）；c—为溶液浓度（moLm-3）；；R—气体常数，8.314J•mol-i•Kt；T—为绝对温度（K）。当（do/dc）<0时，r>0,即溶液的表面力随着溶液浓度的增加而下降时，吸附量为正值，称为正吸附，反之，当（do/dc）>0时，r<0称为负吸附。吉布斯吸附等温方程式应用围很广，但上述形式只适用于稀溶液。通过实验测得不同浓度溶液的表面力o、o……12即可求得吸附量r。本实验采用最大气泡压力法测定正丁醇水溶液的表面力值。试验装置如图（7—1）所示。图7—1表面力测定装置1—样品管2—毛细管3—压瓶4—精密数字压力计5—大气平衡管6—活塞 图7—2气泡曲率半径的变化规律将欲测表面力的溶液装入样品管中,使毛细管的端口与液面相切,液体即沿毛细管上升,打开减压瓶3的活塞6,使里面的水慢慢的滴出,则系统的压力慢慢减小,毛细管2液面上受到一个比样品管中液面上大的压力,此时毛细管液面就会下降,直到在毛细管端面形成一个稳定的气泡。开始时气泡表面很平,曲率半径很大,随着气泡的形成,曲率半径逐渐变小,形成半球时,气泡的曲率半径与毛细管的半径相等,曲率半径达最小值（如图7—2）。气泡进一步长大,曲率半径又变大,直到气泡从毛细管口脱出。曲率半径最小时有最大的附加压力,在压力计上就有绝对值最大的读数。此时气泡的曲率半径就是毛细管的半径。可见毛细管口冒出气泡所需要增加的压力（AP）与液体的表面力o成正比。利用一拉普拉斯公式有：2oAP=pg•Ah=—mr式中：AP一曲率半径最小时气泡的最大附加压力，单位为Pa；mAh一压力计上绝对值最大的读数，，单位为mmH2O；

P一水的密度；单位为kg，-1g—重力加速度；单位为m.s-2o—表面力；r—气泡的最小曲率半径，同时也是毛细管的半径。r于是得到： o=-pg-Ah=KAh (7—2)式中K与毛细管的半径有关，对同一支毛细管是常数，称为仪器常数，可由已知表面力的液体求得，例如已知水在实验温度下的表面力o，测得最大压力读数AP，则K=o/Ap,o o o o求出该毛细管的K值，就可用它测定其他液体的表面力了。AP Ah(7—3)o =o (7—3)oAP oAh式中Ah,Ah为精密数字压力计的最大读数。o由实验测得不同浓度时的表面力o，以浓度c为横坐标，o为纵坐标，得o—c曲线图7—3表面力及吸附等温线图7-4图7—3表面力及吸附等温线图7-4Jcr关系图续增大，溶液的表面力随浓度的变化渐趋平缓。当浓度增大到某一值后，溶液的表面力几乎不随浓度增加而改变。为了求得在不同浓度下的吸附量，可以利用图解法令bb'=Z，则Z『也dc进行计算。如图7—3所示，在o~c曲线上取任意一点a,通过a点作曲线的切线ab和平行于横轴的直线令bb'=Z，则Z『也dcdo_bb_Z = =- dc0-cc将上式代入(7—1)吉布斯吸附等温方程，得到该浓度时的吸附量为：c(do) Z(7—4)I二(7—4)RTIdc)RTT以不同的浓度对其相应的r作出曲线，r=f(c)称为吸附等温线，如图7—3中曲线r~c所示。在一定的温度下，吸附量与溶液浓度间的关系可用Langmuir吸附等温式表示：ckc+1 cckc+1 c1r kr8 + rkr88(7—5)以c/r以c/r对c作图，得一直线如图7—4所示。该直线的斜率为1/r。8是溶液表面盖满一单分子层溶质的量，其单位是mol.cm-2。设1cm-2r为饱和吸附量，8表面上被吸附的分子数为N,则有N=rN；N为阿伏伽德罗常数。由此可以计算出当饱和吸附时，每个分子在8AA表面上所占据的面积，此面积亦可看作是分子的截面积：(7—6)1(7—6)nrA8若已知溶液的密度P，摩尔质量M，就可以计算出吸附层厚度5。rM5二—— （7—7）P（三）、仪器药品DP—4W表面力实验仪、DP—A精密数字微压计、电吹风、小烧杯、量筒、滴管0.050；0.100；0.200；0.300；0.400；0.500；0.600m。1，-1正丁醇溶液（四）、实验步骤1．仪器准备和检漏将表面力仪的各个玻璃仪器和毛细管先用洗液，再用自来水和蒸馏水洗涤，烘干后按图7—1安装好。将水注入减压瓶中，然后用洗瓶将蒸馏水注入样品管中，反复用滴管调节毛细管底端平面与液面的高度，使毛细管底端平面恰好与液面相切，并且样品管与桌面垂直。打开微压计4的电源，并将仪器的单位设置为“mmHO”，在装置图大气平衡管5与大气2相通的情况下，按下微压计的“采零”钮，使仪器示数为“0”。夹紧5处的胶管，在开启活塞6，这时减压瓶3中水面下降，使体系压力降低（实际上等于对系统抽气）。当压力计4有一定示数（至少为-30mmH2O以上）时，关闭活塞6,若两三分钟微压计的示数不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。2．仪器常数的测定打开活塞6,对体系减压,调节水流速度,使气泡由毛细管底端成单泡逸出（每分钟约20个气泡）,记录微压计绝对值最大的读数三次,取其平均值。再由附录中查出实验温度下水的表面力O一则仪器常数K为：水OK=「 （7—8）Ah最大3．正丁醇溶液表面力的测定：将样品管中的蒸馏水全部倒出,用待测液将样品管及毛细管仔细洗涤3次,在样品管中装入待测溶液,用上述方法测定浓度为0.050、0.100、0.200、0.300、0.400、0.500、0.600molLt的正丁醇溶液的最大压力差，每个样品分别测定三次，取其平均值。（五）、数据处理处理1.数据记录实验温度T=24.7℃ 水的表面力o=722X10-3N・m-i；水2.数据记录及处理正丁醇C/mol.Lt0.0500.1000.2000.3000.4000.5000.600Ah的平均值/mmHO 2 36.031.427.225.624.223.121.6

表面力o/N•m-i0.06120.05340.04620.04240.04010.03850.0367do/dC-0.224-0.097-0.033-0.0160.010-0.006-0.004吸附量r/10-6mol•m-24.52310.39419.73425.3426.65227.05627.103c/r/109m-i(1)仪器常数ko/Ah=72,2x10-3N•m-1^40.8mmH0=0.0017水2(2)按照o=K-Ah=计算各浓度溶液的0列入上表中；(3)绘制o~c曲线(4)由图1求各浓度溶液的do/dC列入上表中；，、一c(do) ,、，，(5)按照r=---I— 和c/r计算各浓度溶液的r和”「列入上表中；RTvdc)T( 6 )绘制c/r〜c等温线

c/r〜c等温线的线性方程为:m(斜率)=0.02381、=m=1/0.0238=_ 1Nr=6.02*1023义A8rM74.12义 0.8987义106（六）、思考题溶液的表面为何必须得调至与毛细管端口相切？否则对实验有何影响？答：毛细管插入溶液中的深度直接影响测量结果的准确性，如果将毛细管末端插入溶液部，毛细管将会有有一段水柱，产生压力，则测定管中的压力Pr会变小，△Pmax会变大，测量结果偏大。为了减少静压力的影响，应尽可能减少毛细管的插入和深度，使插入深度^卜接近0。气泡逸出速度过快或不成单泡，对实验有何影响？答：气泡逸出速度过快或不成单泡，气泡的形成与溢出速度而不稳定，致使压力计的读数不稳定，不易出观察其最高点而起到较大的误差，使表面力测定值偏高所以要求从毛细管中溢出的气泡必须单泡溢出，有利于表