溶液表面張力的測定-預習報告

1、實驗溶液表面張力的測定最大壓力氣泡法實驗人姓名：張晶 同組實驗者姓名：周藝瑩班級：環(huán)42實驗日期：03/04/2006學號:2004010337實驗目的1. 明確表面張力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意義。2. 掌握最大壓力氣泡法測定表面張力的原理和技術。3計算表面吸附量和吸附質分子的截面積。實驗原理1. 表面張力在液體內部，任一分子受四周分子的吸引力是平衡的，但液體表面層的分子卻要受到向 內的拉力，因此要使液體的表面積增大，就必須反抗分子向內的拉力而作功，說明了分子在 表面層內比在液體內部有較大的勢能，這勢能就是表面自由能。在恒溫、恒壓及組成不變的 條件下，使表面積可逆地增加dA，體系自由

2、能的增量 dG應等于環(huán)境對體系所做的表面功S w 即dG = S w =b dA(1)式中c為比例常數(shù)，其物理意義是在恒溫恒壓組成不變的條件下，增加單位表面積時引起體 系自由能的增加值， 因此c稱為比表面自由能， 其量綱為Jm-2。因其量綱又可以寫成 N . 1,所以c還可稱為表面張力，其物理意義是沿著與表面相切的方向，垂直作用于表面單位 長度上的力。表面張力是液體的重要特性之一，它與所處的溫度、壓力、濃度以及共存的另 一相的組成有關。2. 溶液的表面吸附純液體表面層的組成與內部組成相同，因此液體只能通過盡可能地縮小其表面以降低體 系的表面自由能。對于溶液，由于溶質能引起溶劑表面張力的變化，因

3、此可通過調節(jié)溶質在 表面層的濃度來降低表面能。若溶質能降低溶劑的表面張力時，則表面層中溶質的濃度大于 溶液內部溶質的濃度；反之，如果溶質能使溶劑的表面張力升高，則表面層中溶質的濃度小于溶液內部溶質的濃度。這種表面濃度與溶液內部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。 在一定的溫度和壓力下，吉布斯用熱力學的方法推導出了溶液表面吸附量與溶液的表面張力 和溶液濃度之間的關系，即c d(2) RT dc t式中r為表面超量(mol m-2) , c為溶液的表面張力(Jm-2), T為熱力學溫度(K), 為溶液的濃度(mol dm-3), R為氣體常數(shù)。-J如果加入溶質使液體表面張力降低，即-v 0,則r 0

4、,此時溶液表面層的濃度大dc t于溶液內部的濃度，稱為正吸附，此類物質稱為表面活性物質。如果加入溶質使液體表面張力升高，即 0,則r 0，此時溶液表面層的濃度小于溶液內部的濃度，稱為負吸附，de t此類物質稱為非表面活性物質。由吉布斯吸附等溫式可看出，只要測得某一溫度下不同濃度溶液的表面張力，以b e作圖，在b e的曲線上作不同濃度下的切線，可獲得不同濃度所對應的斜率 ，將斜de t率代入(25.2)式中，即可求出不同濃度時氣一液界面上的吸附量r。e之間的關系，可用 Langmuir吸附等溫式表示3. 飽和吸附量和溶質分子的橫截面積 在一定的溫度下，吸附量r與濃度Ke式中r 為飽和吸附量,1

5、KeK為經驗常數(shù)，其值與溶質的表面活性大小有關。將上式兩邊取倒數(shù)，即可化成如下直線方程e右以 e作圖，可得一直線，由直線的斜率可求出r。若以N代表1m2表面上溶質的 分子數(shù)，則在飽和吸附時N = r Na(5)式中的Na為阿佛加德羅常數(shù)，由此可得每個溶質分子在表面上所占據(jù)的橫截面積1S =N A4. 表面張力的測定方法測定表面張力的方法有許多種，主要有：(1) 毛細管上升法(2) 環(huán)法(3) 滴體積法(4) 最大壓力氣泡法該測定方法的裝置和原理如圖1所示。將下口齊平的毛細管垂直插入試液，并使管口剛好與液面相切，則可看到毛細管內形成凹液面。然后從滴液漏斗中放水抽氣，隨著毛細管內 外壓差逐漸增大，

6、泡的曲率半徑由大變小，當氣泡的半徑等于毛細管的內半徑時，其半徑達 到最小值，而泡內壓力達到最大值，此時的泡內外壓最大差P可由壓力計測出，所以根據(jù)泡內最大的附加壓力和毛細管的內半徑r，就可計算表面張力廠2P(7)r2(8)圖1表面張力測定裝置圖1.燒杯；2.抽氣用的滴液漏斗;3.精密數(shù)字微壓差測量儀；4恒溫槽；5.支管試管；6.毛細管儀器與試劑恒溫裝置1套阿貝折光儀1臺滴液漏斗(250mL) 1個 精密數(shù)字微壓差測量儀 1臺 純水無水乙醇(A. R)毛細管(0.30.4mm)1根支管試管(2.5 x 20cm) 1個T形管1個燒杯(250mL )1個鏡頭紙式中k為儀器常數(shù)，其值可用已知表面張力的

7、物質測定。最大壓力氣泡法與接觸角無關，也 不需要液體的密度數(shù)據(jù)，且裝置簡單，測定迅速，因此，本實驗選用此法。實驗步驟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(shù)(1) 認真洗凈毛細管和支管試管。測定用的毛細管一定要洗干凈，否則氣泡可能不能連續(xù) 平穩(wěn)地流過，而使壓差計讀數(shù)不穩(wěn)定。(2) 在滴液漏斗中裝滿水。加適量的純水于支管試管中，調節(jié)毛細管的高低，使其管口剛 好與液面相切。然后把支管試管浸入恒溫槽。一定要保持毛細管處于垂直位置。在恒溫水浴 中恒溫10min。(3) 打開滴液漏斗活塞進行緩慢抽氣，控制滴液速度，使毛

8、細管逸出的氣泡速度約為每分 鐘812個為宜。在數(shù)字式微壓差測量儀上，讀出氣泡單個逸出時的最大壓力差。重復讀數(shù)三次，取平均值。3. 乙醇溶液表面張力的測定依溶液濃度由稀到濃的順序，按測定儀器常數(shù)時的操作步驟，分別測定各種未知濃度酒 精溶液的最大壓力差。每次測量前必須用少量被測液洗滌支管試管和毛細管，確保毛細管內 外溶液的濃度一致。4. 乙醇溶液濃度的測定用阿貝折光儀測定各已知濃度溶液的折光率。作出濃度折光率的工作曲線。然后測定待測樣品的折光率，并從工作曲線上找出其相應的濃度值。實驗記錄1、實驗條件2、關鍵操作及注意事項數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理1 由手冊查出或由下式計算出純水在實驗溫度下的廠 求出儀器常

9、數(shù)k。(t = 0 40 C )2 作d c圖（橫坐標濃度從零開始）,在曲線上等間隔選取610個點，分別作切In d t（N m 1） = 2.5818 1.812X 10 1t 7.037 X 10 6 t2線，求出一，并計算在相應濃度下的c T3 .作c c圖，得一直線，由直線斜率求其，并計算分子的橫截面積S。六、分析討論1. 由于d c圖上任一點的斜率計 算吸附量時可采用圖川-252所 示的簡便方法。在d c曲線上任選 一點a，過a點作切線ab交縱軸于b 點，再過a點作平行于橫軸的直線a d 1交縱軸于d 1點，令Z= ad 1,則Z = C1將上式代入（25.2）式得Z RT 在曲線上

10、取不同的點就可得到不同的-(25.15)c T(25.16)Z值，從而求出不同濃度時的吸附量。由飽和吸附量，溶質的摩爾質量M和密度還可求出吸附層的度(25.17)3. 毛細管清潔處理應特別予以重視，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。毛細管內部可借助洗耳球，但必須細心，不應使液體進入洗耳球內。加入試樣后，應充分搖勻方可測定。4. 恒溫是本實驗的另一重要條件。溫度對、和折射率都有較大的影響。雖然質量 百分濃度與溫度無關，但由于折射率隨溫度的波動，若溫度不恒定，故難得出未知溶液的準確濃度。5. 數(shù)據(jù)處理中，各量的單位應當一致，單位不一，直線的斜率及截距將會不同。七、提問思考1. 測定表面張力時為什么要讀最大壓力差？2. 滴液漏斗