實驗十八最大氣泡法測定溶液的表面張力.doc

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1、 實驗十八 最大氣泡法測定溶液表面張力的測定 1 實驗目的 (1) 測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計算吸附量。 (2) 掌握最大氣泡法測定溶液表面張力的原理和技術。 (3) 了解氣液界面的吸附作用，計算表面層被吸附分子的截面積及吸附層的厚度。 2 實驗原理 從熱力學觀點來看，液體表面縮小是一個自發(fā)過程，這是使體系總自由能減小的過程，欲使液體產(chǎn)生新的表面ΔS，就需對其做功，其大小應與ΔS成正比: (2.18.1) 如果ΔS為1m2，則-W′=σ是在恒溫恒壓下形成1m2新表面所需的可逆功，所以σ稱為比表面吉布

2、斯自由能，其單位為Jm-2。也可將σ看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，稱為表面張力，其單位是Nm-1。在定溫下純液體的表面張力為定值，當加入溶質形成溶液時，表面張力發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質的性質和加入量的多少。水溶液表面張力與其組成的關系大致有三種情況： ①隨溶質濃度增加表面張力略有升高； ②隨溶質濃度增加表面張力降低，并在開始時降得快些； ③溶質濃度低時表面張力就急劇下降，于某一濃度后表面張力幾乎不再改變。 以上三種情況溶質在表面上的濃度與體相中的都不相同，這種現(xiàn)象稱為溶液表面吸附。根據(jù)能量最低原理，溶質能降低溶劑的表面張力時，表面層中溶質的濃度比溶液內部大；反之，溶質

3、使溶劑的表面張力升高時，它在表面層中的濃度比在內部的濃度低。在指定的溫度和壓力下，溶質的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度之間的關系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程: (2.18.2) 式中，Г為溶質在表層的吸附量; σ為表面張力;C為吸附達到平衡時溶質在介質中的濃度。 當 <0時，Г>0稱為正吸附；當 >0時，Г<0稱為負吸附。通過實驗若能測得表面張力與溶質濃度的關系，則可作出s－C 或 lnC 曲線，并在此曲線上任取若干點作曲線的切線，這些切線的斜率就是與其相應濃度的 或，將此值代入2式便可求出在此濃

4、度時的溶質吸附量Γ。吉布斯吸附等溫式應用范圍很廣，但上述形式僅適用于稀溶液。 引起溶劑表面張力顯著降低的物質叫表面活性物質，被吸附的表面活性物質分子在界面層中的排列，決定于它在液層中的濃度，這可由圖2.18..1看出。圖2.18..1中(1)和(2)是不飽和層中分子的排列，(3)是飽和層分子的排列。 當界面上被吸附分子的濃度增大時，它的排列方式在改變著，最后，當濃度足夠大時，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層，分子排列方式如圖2.18.1中（3）所示。這樣的吸附層是單分子層，隨著表面活性物質的分子在界面上愈益緊密排列，則此界面的表面張力也就逐漸減小。如果在恒 圖2.1

5、8..1 被吸附的分子在界面上的排列圖 圖2.18.2 表面張力和濃度關系圖 溫下繪成曲線σ=f(C)(表面張力等溫線)，當C增加時，σ在開始時顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來，以至σ的變化很小，這時σ的數(shù)值恒定為某一常數(shù)(見圖2.18.2)。利用圖解法進行計算十分方便，如圖4.2所示，經(jīng)過切點a作平行于橫坐標的直線，交縱坐標于b′點。以Z表示切線和平行線在縱坐標上截距間的距離，顯然Z的長度等于 ， 即 （2.18.3） 將（2.18.3）式代入（2.18.2）式，得

6、 （2.18.4） 以不同的濃度對其相應的Г可作出曲線，Г=f(C)稱為吸附等溫線。 根據(jù)朗格謬爾(Langmuir)公式: (2.18.5) Г∞為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時的Г，上式可以寫為如下形式 (2.18.6) 以C/Г對C作圖，得一直線，該直線的斜率為1/Г∞。 由所求得

7、的Г∞代入 (2.18.7) 可求被吸附分子的截面積(N0為阿佛加得羅常數(shù))。 若已知溶質的密度ρ，分子量M，就可計算出吸附層厚度δ (2.18.8) 圖2.18..3 最大氣泡法的儀器裝置圖 A為表面張力儀，其中間玻璃管F下端一段直徑為0.2mm～0.5mm的毛細管，B為充滿水的抽氣瓶，C為U型壓力計，內盛比重較小的水或酒精、甲苯等，作為工作介質，以測定微壓差。 測定溶液的表面張力有多種方法，較為

8、常用的有最大氣泡法和扭力天平法。本實驗使用最大氣泡法測定溶液的表面張力，其測量方法基本原理如下（參見圖2.18..3）。 將待測表面張力的液體裝于表面張力儀中，使F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(Δp=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口液體的表面張力時，氣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: (2

9、.18.9) 式中，Δp為附加壓力；σ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)（2.18.9）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)（2.18.9）式，R=r時的最大附加壓力為: (2.18.10) 實際測量時，使毛細管端剛與液面接觸，則可忽略氣泡鼓泡所需克服的靜壓力，這樣就可直接用上式

10、進行計算。 當用密度為ρ的液體作壓力計介質時，測得與Δp最大相適應的最大壓力差為Δh最大則: (2.18.11) 當將 合并為常數(shù)K時，則上式變?yōu)? (2.18.12) 式中的儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標準物質測得。 3 儀器 藥品 DMPY-2C表面張力測定儀 1套 吸耳球

11、 1個 移液管(50mL和1mL) 各1個 燒杯(500mL) 1個。 正丁醇(化學純) 蒸餾水。 4 實驗步驟 （1）儀器準備與檢漏 將表面張力儀中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2.18.3連好。 將水注入抽氣管中。在A管中用移液管注入50mL蒸餾水，用吸耳球由G處抽氣，調節(jié)液面，使之恰好與細口管尖端相切。然后關緊G處活塞，再打開活塞H，這時管B中水流出，使體系內的壓力降低，當壓力計中液面指示出若干厘米的壓差時，關閉H，停止抽氣。若2min～3min內，壓力

12、計液面高度差不變，則說明體系不漏氣，可以進行實驗。 (2) 儀器常數(shù)的測量 開H對體系抽氣，調節(jié)抽氣速度，使氣泡由毛細管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間為10s～20s(數(shù)顯微壓差測量儀為5s～10s)。若形成時間太短，則吸附平衡就來不及在氣泡表面建立起來，測得的表面張力也不能反映該濃度之真正的表面張力值。當氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓力計中液面差達到最大值，記錄壓力計兩邊最高和最低讀數(shù)，連續(xù)讀取三次，取其平均值。再由附錄中，查出實驗溫度時，水的表面張力σ，則可以由（2.18.13）式計算儀器常數(shù)

13、 (2.18.13) （3）表面張力隨溶液濃度變化的測定 在上述體系中，用移液管移入0.100mL正丁醇，用吸耳球打氣數(shù)次(注意打氣時，務必使體系成為敞開體系。否則，壓力計中的液體將會被吹出)，使溶液濃度均勻，然后調節(jié)液面與毛細管端相切，用測定儀器常數(shù)的方法測定壓力計的壓力差。然后依次加入0.200mL、0.200mL、0.200mL、0.500mL、0.500mL、1.00mL、1.00mL正丁醇，每加一次測定一次壓力差Δh 最大。 正丁醇的量一直加到飽和為止，這時壓力計的Δh最大值幾乎不再隨正丁醇的加 入而變化。 5 數(shù)據(jù)處理 (1)

14、實驗數(shù)據(jù)記錄及計算儀器常數(shù)K和溶液表面張力σ。 表1 不同濃度溶液的表面張力值 正丁醇加入量(mL) 溶液濃度 壓力差Δh K或σ 1 2 3 平均值 0 0.100 0.300 0.500 0.700 1.200 1.700 (2) 根據(jù)上述計算結果，繪制σ—C等溫線。 (3) 由σ—C等溫線作不同濃度的切線求Z，并求出Г，C/Г。 (4) 繪制Г—C，C/Г—C等溫線，求Г∞并計算S和δ。 6 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，其管口剛好與液面相切。 (3) 讀取壓力計的壓差時，應取氣泡單個逸出時的最大壓力差。 7 思考題 (1) 毛細管尖端為何必須調節(jié)得恰與液面相切?否則對實驗有何影響? (2) 最大氣泡法測定表面張力時為什么要讀最大壓力差?如果氣泡逸出的很快，或幾個氣泡一齊出，對實驗結果有無影響? （注：文件素材和資料部分來自網(wǎng)絡，供參考。請預覽后才下載，期待你的好評與關注。）