實驗七最大氣泡壓力法測定溶液的表面張力

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1、一、實驗目的 1．掌握最大氣泡壓力法測定表面張力的原理和技術。 2．通過對不同濃度乙醇溶液表面張力的測定，加深對表面張力、表面自由能、表面張力和吸附量關系的理解。 二、實驗原理 1、在一定溫度下純液體的表面張力為定值，當加入溶質(zhì)形成溶液時，表面張力發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的性質(zhì)和加入量的多少。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時，表面層溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低，這種表面濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度之間的關系遵循吉布斯吸附等溫

2、式： Γ = –（c/RT）*（dγ/dc） ① 式中，Г為溶液在表層的吸附量；γ為表面張力；c為吸附達到平衡時溶液在介質(zhì)中的濃度。 根據(jù)朗格謬爾（Langmuir）公式： Γ =?！轐c/（1＋Kc） ② Γ∞為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時的Γ∞ c/Γ =（1＋Kc）/（?！轐） = c/Γ∞＋1/?！轐 ③ 以c/Г對c作圖，則圖中該直線斜率為1/Г∞。 由所得的Г∞代入Am=1/Г∞L可求被吸附分子的截面積

3、（L為阿伏伽德羅常數(shù)）。 2、本實驗用氣泡最大壓力法測定溶液的表面張力，其儀器裝置如圖1所示： 圖1、最大氣泡壓力法測量表面張力的裝置示意圖 1、 恒溫套管；2、毛細管（r在0.15～0.2mm）；3、U型壓力計（內(nèi)裝水）；4、分液漏斗；5、吸濾瓶；6、連接橡皮管。 將待測表面張力的液體裝于表面張力儀中，使毛細管的端面與液面相切，液面即沿毛細管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，毛細管內(nèi)的液面上受到一個比A瓶中液面上大的壓力，當此壓力差——附加壓力（△P=P大氣–P系統(tǒng)）在毛細管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細管液體的表面張力時，氣

4、泡就從毛細管口脫出，此附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關系式為： ΔP=2γ/R ④ 式中，ΔP為附加壓力；γ為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。 如果毛細管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當氣泡開始形成時，表面幾乎是平的，這時曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時的曲率半徑R和毛細管的半徑r相等，曲率半徑最小值，根據(jù)上式這時附加壓力達最大值。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。 根據(jù)上式，R=r時的最大附加壓力為： ΔP最大= 2γ/r

5、 ⑤ 實際測量時，使毛細管端剛與液面接觸，則可忽略氣泡鼓起所需克服的靜壓力，這樣就可以直接用上式進行計算。 當將其它參數(shù)合并為常數(shù)K時，則上式變?yōu)椋? γ=KΔP最大 ⑥ 式中儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標準物質(zhì)測得。 三、儀器藥品 1、儀器：最大泡壓法表面張力儀1套，洗耳球1個，移液管(50ml和10ml)各一支，燒杯（500mL）。 2、藥品：正丁醇（分析純），蒸餾水。 四、實驗步驟 1、儀器的準備與檢漏 將表面張力儀容器和毛細管先用洗液洗凈，再順次用自來水和蒸餾水漂洗，烘干后按圖5-9接好，檢

6、查是否漏氣。 2、儀器常數(shù)的測定 調(diào)節(jié)液面與毛細管相切，并調(diào)節(jié)分液漏斗，使氣泡由毛細管尖端成單泡逸出，且速度控制在每分鐘形成氣泡5~10個（數(shù)顯微壓差測量儀為5~10s），當氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓力計中液位差達到最大值，當顯示的最大值比較穩(wěn)定時，記下數(shù)據(jù)，重復調(diào)節(jié)2次并記下相應的數(shù)值。再由手冊查出實驗溫度時水的表面張力，求得儀器常數(shù)K。 3、表面張力隨溶液濃度變化的測定 在上述體系中，按濃度從高到低的順序依次測定預先配好的正丁醇溶液的△P最大值，每次置換溶液前都先用溶液潤洗2次，再按2方法測定。 五、注意事項 1.儀器系統(tǒng)不能漏氣。 2.所用毛細管必須干凈、干燥，應保持垂直，

7、其管口剛好與液面相切。 3.讀取壓力計的壓差時，應取單個逸出時的最大壓力差。 六、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理 1、實驗數(shù)據(jù)的記錄 恒溫槽溫度 室溫 大氣壓 γ水 25℃ 25.4℃ 100.57KPa 71.1810-3N.m-1 c mol.dm-3 ΔP平均 ΔP最大，1 ΔP最大，2 ΔP最大，3 γ10-3 N/m Γ10-6 mol*m-2 c/Γ107 m-1 水 747.7 775 773 776 71.18 0 0 0.02 745 744 746 745 68.54 1.352 1.479 0.04 714.7

8、 714 715 715 65.78 2.501 1.599 0.06 665 665 665 665 61.18 3.450 1.739 0.08 631.7 631 632 632 58.12 4.193 1.908 0.10 605.7 605 606 606 55.69 4.737 2.111 0.12 584.3 584 585 584 53.76 5.075 2.364 0.16 563 563 563 563 51.80 5.148 3.108 0.20 522.3 523 522

9、 522 48.05 4.412 4.533 0.24 493.3 493 493 494 45.38 2.866 8.374 2、計算K值 ∵γ = KΔp ∴K=γ水/ΔP最大=71.1810-3/608.33=1.1710-4m 根據(jù)K值得到一組γ值，以γ(N/m)--c (mol.m-3)作圖如下: 根據(jù)上圖，可以得到γ-c的關系式為γ=0.3187c2-0.1831c+0.07154 由此得到dγ/dc=0.6374c-0.1831，其中c的單位為mol.m-3 根據(jù)Γ = –（c/RT）*（dγ/dc） 便可求出不同濃度下

10、的Γ 和c/Γ ，結果見上表 3、繪制Γ-c等溫線 通過公式Γ = –（c/RT）/（dγ/dc）就得一組Γ。 以Γ10-6mol.m-2-- c /（ mol.dm-3）作圖如下： 4、計算Am 由c/Γ-c等溫線圖可知其斜率1/?！?=26.693104，所以?！?3.746310-6molm-2 所以Am=1/(Γ∞L)=1/（3.746310-6 6.0221023）=4.43310-19m2； 誤差計算：（4.43310-19-3.210-19）/3.210-19=38.53% 七、結果與討論 1、這次的實驗操作的步驟很簡單，就是實驗量比較大，數(shù)據(jù)比

11、較容易產(chǎn)生誤差。從得到的c/Γ-c等溫線來看，得到的數(shù)據(jù)不是很理想，擬合出的直線不夠精確。可能的原因有：①液面沒有跟毛細管底部完全相切；②沒有等到氣泡穩(wěn)定了再讀數(shù)。 2、本實驗是通過測最大氣泡來測定溶液的表面張力，計算過程中巧妙地用求導的方法間接地來求出τ-c的切線。所用的毛細管必須干凈，干燥，應保持垂直，其管口剛好與液面相切；讀取壓力計的壓差時，應取氣泡單個溢出時的最大壓力差。 3、 使用的張力管及毛細管的洗滌要徹底。如果毛細管洗滌不干凈，不僅影響表面張力值，而且會使氣泡不能有規(guī)律地單個連續(xù)逸出。毛細管插入溶液中的深度直接影響測量結果的準確性，這是因為溶液的靜壓力會增加對氣泡壁的壓強

12、，為了減少靜壓力的影響，應盡可能減少毛細管的插入和深度，使插入深度與液面剛好相切。 4、 如果液面是彎曲，其表面的作用力不是水平的，將有一個合力，當液面為凸時，合力指向液體內(nèi)部，當液面為凹時，合力指向液體外部，這就是附加壓力的來源。由于附加壓力而引起的液面與管外液面有高度差的現(xiàn)象稱為毛細管現(xiàn)象。 5、 毛細管清潔處理應特別的予以重視，熱風吹干及電爐烘烤的辦法應當避免，蕩洗是好辦法，但應盡量徹底。毛細管內(nèi)部可借助洗耳球，但必須細心，不應使液體進入洗耳球內(nèi)。 6、 測定液體表面張力除氣泡的最大壓力法外，常用的還有毛細管上升法、滴重法等。 7、 Γ>0 正吸附，Γ<0 負吸附，Γ=0 無

13、吸附作用 八、思考題 1.毛細管尖端為何必須調(diào)節(jié)得恰與液面相切？否則對實驗有何影響？ 答：如果將毛細管末端插入到溶液內(nèi)部，毛細管內(nèi)會有一段水柱，產(chǎn)生壓力Pˊ，則測定管中的壓力Pr會變小，△pmax會變大，測量結果偏大。 2.最大氣泡法測定表面張力時為什么要讀取最大壓力差？如果氣泡逸出的很快，活幾個氣泡一齊出，對實驗結果有無影響？ 答：如果毛細管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當氣泡開始形成時，表面幾乎是平的，這時曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時曲率半徑R和毛細管半徑r相等，曲率半徑達最小值，根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式，此時能承受的壓力差為最大：△pmax = p0 - pr = 2σ/γ。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。最大壓力差可通過數(shù)字式微壓差測量儀得到。如氣泡逸出速度速度太快，氣泡的形成與逸出速度快而不穩(wěn)定；致使壓力計的讀數(shù)不穩(wěn)定，不易觀察出其最高點而起到較大的誤差。