1、最大泡壓法測定溶液的表面張力07應化1w 07331120 宋強一、實驗目的1、測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力，計算表面吸附量和溶質分子的橫截面積；  2、了解表面張力的性質，比表面吉布斯函數的意義以及表面張力和吸附的關系；3、掌握用最大氣泡法測定表面張力的原理和技術。二、實驗原理   1比表面吉布斯函數    從熱力學觀點看，液體表面縮小是一個自發過程，這是使體系總的比表面吉布斯函數減小的過程。如欲使液體產生新的表面A，則需要對其做功。功的大小應與A成正比：式中為液體的比表面吉布斯函數，亦稱表面張力。它表示了液

2、體表面自動縮小趨勢的大小，其量值與液體的成分、溶質的濃度、溫度及表面氣氛等因素有關。2溶液的表面吸附      純物質表面層的組成與內部的組成相同，因此純液體降低比表面吉布斯函數的惟一途徑是盡可能縮小其表面積。對于溶液，由于溶質能使溶劑表面張力發生變化，因此可以調節溶質在表面層的濃度來降低比表面吉布斯函數。根據能量最低原則，溶質能降低溶劑的表面張力時，表面層溶質的濃度比溶液內部大；反之，溶質使溶劑的表面張力升高時，表面層中的濃度比內部的濃度低。這種表面濃度與溶液內部濃度不同的現象叫做溶液的表面吸附。顯然，在指定的溫度和壓力下，溶質的吸附量與溶液

3、的表面張力及溶液的濃度有關，從熱力學方法可知它們之間的關系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：式中：為表面吸附量(單位：mol·m-2)；T為熱力學溫度(單位：K)；C為稀溶液濃度(單位：molL1)； R為氣體常數。若 <o，P>0，稱為正吸附；若  >o，則P<0，稱為負吸附。本實驗研究正吸附情況。    有一類物質，溶入溶劑后，能使溶劑的表面張力降低，這類物質被稱為表面活性物質。表面活性物質具有顯著的不對稱結構，它們是由親水的極性基團和憎水的非極性基團構成的。對于有機化合物來說，表面活性物質的極性部分一般為

4、-NH+3，-OH，-SH，-COOH，-SO2OH等。乙醇就屬這樣的化合物。它們在水溶液表面排列的情況隨其濃度不同而異。如圖A所示，濃度很小時，分子可以平躺在表面上；濃度增大時，分子的極性基團取向溶液內部，而非極性基團基本上取向空間；當濃度增至一定程度，溶質分子占據了所有表面，就形成飽和吸附層。    以表面張力對濃度作圖，可得到-c曲線，如圖B所示。從圖中可以看出，在開始時隨濃度增加而迅速下降，以后的變化比較緩慢。             &

5、#160; 在-c曲線上任選一點i作切線，即可得該點所對應濃度Ci的斜率(d/dci)，再由Gibbs吸附方程式，可求得不同濃度下的T值。3飽和吸附與溶質分子的橫截面積    吸附量與濃度C之間的關系，可用郎格茂(Langmuir)吸附等溫式表示：式中為飽和吸附量；K為常數。將上式取倒數可得：作圖，直線斜率的倒數即為。如果以N代表1 m2表面上溶質的分子數，則有：式中L為阿伏加德羅常數，由此可得每個溶質分子在表面上所占據的橫截面積：因此，若測得不同濃度的溶液的表面張力，從-c曲線上求出不同濃度的吸附量P，再從P-c直線上求出T，便可計算出溶質分子的橫截面積S。4最

6、大氣泡法測定表面張力    測定表面張力的方法很多。本實驗用最大氣泡法測定乙醇水溶液的表面張力，其實驗裝置和原理如圖C所示。    將被測液體裝于測定管中，使玻璃管下端毛細管端面與液面正好相切，液面沿毛細管上升。打開抽氣瓶的活塞緩緩放水抽氣，則測定管中的壓力戶逐漸減小，毛細管中壓力p0就會將管中液面壓至管口，并形成氣泡，其曲率半徑由大而小，直至恰好等于毛細管半徑r，根據拉普拉斯(Laplace)公式，這時能承受的壓力差也最大：隨后大氣壓力將把此氣泡壓出管口，曲率半徑再次增大，因此氣泡表面膜所能承受的壓力差必然減少，實際上測定管中的壓力

7、差卻在進一步加大，所以立即導致氣泡的破裂。最大壓力差可通過數字壓力計測得。用同一根毛細管分別測定具有不同表面張力的溶液時，可得下列關系1 =r/2P1 2 =r/2P21 = K P三、儀器與試劑儀器：表面張力測定裝置1套，恒溫水浴1套，阿貝折射儀1臺，洗耳球1個， 200mL燒杯1只試劑：乙醇(分析純)四、實驗內容1、配制溶液     用稱重法粗略配制5，10，15，20，25，30，35，40的乙醇水溶液待用。2、測定儀器常數    調節恒溫槽溫度為25。將儀器認真洗滌干凈，在測定管中注入蒸餾水，使管內液面剛好與毛細管口相接觸，置

8、于恒溫水浴內恒溫10min。注意使毛細管保持垂直并注意液面位置，然后按圖C接好系統。慢慢打開抽氣瓶活塞，進行測定。注意氣泡形成的速度應保持穩定，通常以每分鐘約812個氣泡為宜。記錄U型壓力計兩邊最高和最低讀數各3次，求出平均值。3、測定醇溶液的表面張力    以不同濃度的乙醇或正丁醇溶液進行測量。從稀到濃依次進行。每次測量前必須用少量被測液洗滌測定管，尤其是毛細管部分，確保毛細管內外溶液的濃度一致。4、乙醇系列溶液的折光率測定乙醇水溶液的準確濃度，用阿貝折射儀來確定。五、數據記錄與處理原乙醇溶液濃度C(V%)壓力差（Pa）折光率123平均0577570568571

9、.7 5470465467467.3 1.334210400399407402.0 1.336215363367360363.3 1.339720345356349350.0 1.340725306309301305.3 1.344930285289279284.3 1.347235269275268270.7 1.349740261264260261.7 1.35121、以純水測量結果計算K1值。查表得 = K PK= 71.97*10-3/572 =1.26*10-4M2、根據所測折光率，由實驗室提供的濃度折射率工作曲線查出各溶液的濃度。圖1-折光率和乙醇濃度百分含量關系圖3、計算各溶液的

10、值。原乙醇溶液濃度C(V%)實際乙醇溶液濃度C(V%)實際乙醇溶液濃度C壓力差（Pa）/10(-3)N/m123平均值52.2 0.38 470465467467.3 58.83 104.9 0.83 400399407402.0 50.61 159.7 1.66 363367360363.3 45.74 2011.1 1.91 345356349350.0 44.06 2517.5 3.01 306309301305.3 38.44 3021.3 3.66 285289279284.3 35.79 3525.8 4.42 269275268270.7 34.07 4028.6 4.91 26

11、1264260261.7 32.94 4、作-c圖，并在曲線上讀出10個點的表面張力，分別作出切線，并求得對應的斜率。 項目 CK /10(-3)/10(-3) C/(mol/L)/10(-3)mol·m-2/10(3) ( m2/L)N/m10.456.93 -10.1650.0016402243.87 20.952.12 -9.07260.0032938273.24 31.447.86 -7.96970.0045009311.05 41.944.15 -6.86670.005263361.01 52.440.99 -5.75850.0055751430.49 62.938.38

12、-4.66080.0054524531.88 73.436.32 -3.55790.0048798696.75 83.934.82 -2.45270.00385871010.71 94.433.86 -1.35080.00239761835.19 104.933.45 -0.26190.00051779465.32 5.根據Gibbs方程求算各濃度的吸附量T，并作出圖，由直線斜率求其，并計算值。圖2-乙醇濃度與表面張力圖圖3-C與 C/關系圖=1/k=1/1194.35= 8.373*10-7MOL·M-2=1.984*10-18 M-2文獻值表-1.濃度折射率關系圖 濃度折光率05

13、10152025303540251.33261.33621.33981.34321.34651.34941.35201.35421.3564表-2.純水溫度與表面張力關系圖t/10(-3)N/m2571.973570.184568.74 表-3.乙醇溶液濃度與表面張力關系W/10(-3)N/mW/10(-3)N/m0.0072.200.00071.232.7260.790.79266.085.2154.972.14361.5611.1046.034.99454.1520.5037.5310.3945.8830.4732.2517.2838.5440.0029.6325.0034.08六、思考題

14、1、在測量中，如果抽氣速度過快，對測量結果有何影響?答：本實驗的關鍵在于控制抽氣速率，氣泡形成的速率應保持穩定，若抽氣速率過快，氣泡形成過快，使測量讀數偏高，影響測量結果。2、如果毛細管末端插入到溶液內部進行測量行嗎?為什么?答：不行。毛細管末端應與液體液面相切，而此時的壓力才是大氣壓力。若插入液面內部，壓力將發生變化，導致測量結果不準確。七 注意事項1.儀器系統不能漏氣。 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.打開滴液漏斗的活塞時要求使氣泡盡可能慢的鼓出。4.毛細管要求出泡均勻，內徑不可太粗，否則誤差太大。毛細管頭部必須平整光滑，不沾油污，以免出泡不均勻。5.

15、測定表面活性劑溶液時，溶液要沿管壁慢慢加入，防止大量氣泡。測定時也應放掉一些氣泡后，才讀出最大壓力差，不能讓泡沫在液面上過多堆積影響溶液和形成的壓力差。6.毛細管必須干凈，保持垂直，其管口剛好與液面相切每次測量前用待測液洗滌毛細管，保持毛細管與樣品管所測液濃度一致。7.讀取壓力計的壓差時，應取氣泡單個逸出時的最大壓力差。用吸耳球洗毛細管時，要打開活塞八 討論1誤差實驗結果表明，運用單一毛細管插入液面以下一定深度進行溶液表面張力測定，它既能夠克服氣泡逸出不穩定，難以調節毛細管端面正好與液面相切的缺點，又能保證實驗結果的準確性具有操作簡單、快速、準確度高等優點對于物質不同溫度下的表面張力數據的準確

16、獲得，具有較好的推廣應用價值此外，還可通過某溶液兩溫度時的表面張力，測定另一溫度時溶液的密度本實驗產生誤差的原因主要有以下幾個方面（1） 垂直相切沒調好（2） 讀高度差時誤差較大2.討論由溶液的單位表面吸附量可求得每一個溶質分子在溶液表面占據的面積S。方法如下：若溶質在溶液表面是單分子層吸附，按蘭繆爾（Laugmuir）吸附等溫式（5-17）式中，為單位溶液表面被溶質單分子層吸附的飽和吸附量，b為常數。以對作圖，其直線斜率為。設為阿拂伽德羅常數，則每個溶質分子在溶液表面占據的面積為：（5-18）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。毛細管上升法如圖5-10所示

17、。將半徑為R的毛細管垂直插入可潤滑的液體中，由于表面張力的作用，使毛細管內液面上升。平衡時，上升液柱的重力與液體由于表面張力的作用所受到向上的拉力相等，即：（5-19）滴重法使液體受重力作用從垂直安放的毛細管向下滴落，當液滴最大時，其半徑即為毛細管半徑R。此時，重力與表面張力相平衡，即由于液滴形狀的變化及不完全滴落，故重力項還需乘以校正系數F。F是毛細管半徑R與液滴體積的函數，可在有關手冊中查得。整理上式則得（5-20）式中每滴液體的質量m可由稱量而得。若將液滴下落于另一液體之中，滴重法測得的即為液體之間的界面張力。3.實驗改進（1）壓力的測定：全智能微差壓變送器通過 數模轉換卡同計算機相連，通過自編程序，不 僅實現了對數據的保存，還可以在在線顯示壓力值 的同時顯示壓力的變化曲線，方便確定停止數據采 集的時間和數據點的好壞。 （2）深度的測量：毛細管插入液面的深度對液體表面張力的測定是一個關鍵的環節。為此本文通過兩個試管測定，一個作為測量管，另一個作為液面調節管，從而使式（）中第二項可以準確地消除。（3）流速的調節：對于靜態表面張力的測定， 要在恒定的流速下進行，而且兩管的出泡速度應保 持一致，為此本文在原有文獻的基礎上加了