實(shí)驗(yàn)七最大氣泡壓力法測定溶液的表面張力

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1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．掌握最大氣泡壓力法測定表面張力的原理和技術(shù)。 2．通過對(duì)不同濃度乙醇溶液表面張力的測定，加深對(duì)表面張力、表面自由能、表面張力和吸附量關(guān)系的理解。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1、在一定溫度下純液體的表面張力為定值，當(dāng)加入溶質(zhì)形成溶液時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(guān)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(dá)到平衡時(shí)溶液在介質(zhì)中的濃度。 根據(jù)朗格謬爾（Langmuir）公式： Γ =Γ∞Kc/（1＋Kc） ② ?！逓轱柡臀搅浚幢砻姹晃轿镤仢M一層分子時(shí)的?！? c/Γ =（1＋Kc）/（Γ∞K） = c/?！蓿?/?！轐 ③ 以c/Г對(duì)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(shí)驗(yàn)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(xì)管（r在0.15～0.2mm）；3、U型壓力計(jì)（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(xì)管的端面與液面相切，液面即沿毛細(xì)管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到一個(gè)比A瓶中液面上大的壓力，當(dāng)此壓力差——附加壓力（△P=P大氣–P系統(tǒng)）在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管液體的表面張力時(shí)，氣

4、泡就從毛細(xì)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(guān)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(xì)管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時(shí)，表面幾乎是平的，這時(shí)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(shí)的曲率半徑R和毛細(xì)管的半徑r相等，曲率半徑最小值，根據(jù)上式這時(shí)附加壓力達(dá)最大值。氣泡進(jìn)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(shí)的最大附加壓力為： ΔP最大= 2γ/r

5、 ⑤ 實(shí)際測量時(shí)，使毛細(xì)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(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)將其它參數(shù)合并為常數(shù)K時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(gè)，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(shí)驗(yàn)步驟 1、儀器的準(zhǔn)備與檢漏 將表面張力儀容器和毛細(xì)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(xì)管相切，并調(diào)節(jié)分液漏斗，使氣泡由毛細(xì)管尖端成單泡逸出，且速度控制在每分鐘形成氣泡5~10個(gè)（數(shù)顯微壓差測量儀為5~10s），當(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓力計(jì)中液位差達(dá)到最大值，當(dāng)顯示的最大值比較穩(wěn)定時(shí)，記下數(shù)據(jù)，重復(fù)調(diào)節(jié)2次并記下相應(yīng)的數(shù)值。再由手冊(cè)查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)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(yù)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(xiàng) 1.儀器系統(tǒng)不能漏氣。 2.所用毛細(xì)管必須干凈、干燥，應(yīng)保持垂直，

7、其管口剛好與液面相切。 3.讀取壓力計(jì)的壓差時(shí)，應(yīng)取單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。 六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理 1、實(shí)驗(yàn)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(jì)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(guān)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(jié)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(jì)算Am 由c/Γ-c等溫線圖可知其斜率1/?！?=26.693104，所以Γ∞=3.746310-6molm-2 所以Am=1/(?！轑)=1/（3.746310-6 6.0221023）=4.43310-19m2； 誤差計(jì)算：（4.43310-19-3.210-19）/3.210-19=38.53% 七、結(jié)果與討論 1、這次的實(shí)驗(yàn)操作的步驟很簡單，就是實(shí)驗(yàn)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?？赡艿脑蛴校孩僖好鏇]有跟毛細(xì)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(shí)驗(yàn)是通過測最大氣泡來測定溶液的表面張力，計(jì)算過程中巧妙地用求導(dǎo)的方法間接地來求出τ-c的切線。所用的毛細(xì)管必須干凈，干燥，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切；讀取壓力計(jì)的壓差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)溢出時(shí)的最大壓力差。 3、 使用的張力管及毛細(xì)管的洗滌要徹底。如果毛細(xì)管洗滌不干凈，不僅影響表面張力值，而且會(huì)使氣泡不能有規(guī)律地單個(gè)連續(xù)逸出。毛細(xì)管插入溶液中的深度直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，這是因?yàn)槿芤旱撵o壓力會(huì)增加對(duì)氣泡壁的壓強(qiáng)

12、，為了減少靜壓力的影響，應(yīng)盡可能減少毛細(xì)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(gè)合力，當(dāng)液面為凸時(shí)，合力指向液體內(nèi)部，當(dāng)液面為凹時(shí)，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(xì)管現(xiàn)象。 5、 毛細(xì)管清潔處理應(yīng)特別的予以重視，熱風(fēng)吹干及電爐烘烤的辦法應(yīng)當(dāng)避免，蕩洗是好辦法，但應(yīng)盡量徹底。毛細(xì)管內(nèi)部可借助洗耳球，但必須細(xì)心，不應(yīng)使液體進(jìn)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(xì)管上升法、滴重法等。 7、 Γ>0 正吸附，Γ<0 負(fù)吸附，Γ=0 無

13、吸附作用 八、思考題 1.毛細(xì)管尖端為何必須調(diào)節(jié)得恰與液面相切？否則對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？ 答：如果將毛細(xì)管末端插入到溶液內(nèi)部，毛細(xì)管內(nèi)會(huì)有一段水柱，產(chǎn)生壓力Pˊ，則測定管中的壓力Pr會(huì)變小，△pmax會(huì)變大，測量結(jié)果偏大。 2.最大氣泡法測定表面張力時(shí)為什么要讀取最大壓力差？如果氣泡逸出的很快，活幾個(gè)氣泡一齊出，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有無影響？ 答：如果毛細(xì)管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時(shí)，表面幾乎是平的，這時(shí)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(shí)曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等，曲率半徑達(dá)最小值，根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式，此時(shí)能承受的壓力差為最大：△pmax = p0 - pr = 2σ/γ。氣泡進(jìn)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(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定，不易觀察出其最高點(diǎn)而起到較大的誤差。