實(shí)驗(yàn)三 溶液表面張力的測定

1、實(shí)驗(yàn)三 溶液表面張力的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、掌握最大氣泡法測定表面張力的原理，了解影響表面張力測定的因素。2、測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計(jì)算吸附量。 3、.了解氣液界面的吸附作用，計(jì)算表面層被吸附分子的截面積及吸附層的厚度。 二、實(shí)驗(yàn)原理從熱力學(xué)觀點(diǎn)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A，就需對其做功，其大小應(yīng)與A成正比: (1) 如果A為1m2，則-W=是在恒溫恒壓下形成1m2新表面所需的可逆功，所以稱為比表面吉布斯自由能，其單位為J·m-2。也可將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N&

2、#183;m-1。在定溫下純液體的表面張力為定值，當(dāng)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，表面層中溶質(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(guān)系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程: (2)式中：表面吸附量，mol·m-2；表面張力，N·m-1；C溶液濃度，mol·m-3；T熱力學(xué)溫度，K；R摩爾氣體常數(shù)，其值

3、為8.314 J·mol-1·K-1。當(dāng) <0時，>0稱為正吸附；當(dāng) >0時，<0稱為負(fù)吸附。吉布斯吸附等溫式應(yīng)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(zhì)叫表面活性物質(zhì)，被吸附的表面活性物質(zhì)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3-1看出（圖3-1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）。c(N/m2)C (mol/L)babZ 圖3-1 被吸附分子在界面上的排列圖 圖3-2 表面張力和濃度關(guān)系圖 當(dāng)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(dāng)濃度足夠大時，被吸附分

4、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3-1(3)所示。這樣的吸附層是單分子層，隨著表面活性物質(zhì)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。如果在恒溫下繪成曲線=f(C)(表面張力等溫線) (見圖3-2)，當(dāng)C增加時，在開始時顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來，以至的變化很小，這時的數(shù)值恒定為某一常數(shù)。利用圖解法進(jìn)行計(jì)算十分方便，如圖3-2所示，經(jīng)過切點(diǎn)a作平行于橫坐標(biāo)的直線，交縱坐標(biāo)于b點(diǎn)。以Z表示切線和平行線在縱坐標(biāo)上截距間的距離，顯然Z的長度等于 ， (3)在=f(C)曲線上取不同的點(diǎn)，就可以得到不同的Z值，從而求出不同濃度時的吸附量。以不同的濃度對其相應(yīng)的

5、可作出曲線，=f(C)稱為吸附等溫線。 根據(jù)朗格謬爾(Langmuir)公式: (4) 為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時的， (5) 以C/對C作圖，得一直線，該直線的斜率為1/。 由所求得的代入A=1/L可求被吸附分子的截面積(L為阿佛加得羅常數(shù))。 若已知溶質(zhì)的密度，分子量M，就可計(jì)算出吸附層厚度                         

6、;        (6) 測定溶液的表面張力有多種方法，較為常用的有最大氣泡法和扭力天平法。本實(shí)驗(yàn)利用最大泡壓法測液體的表面張力。它的基本原理如下： 當(dāng)玻璃毛細(xì)管一端與液體接觸，并減小系統(tǒng)內(nèi)壓力時，由于大氣壓力的作用在液面的毛細(xì)管口處形成氣泡。則氣泡內(nèi)外的壓力差(即施加于氣泡的附加壓力)與氣泡的半徑 r 、液體表面張力 之間的關(guān)系可由拉普拉斯(Laplace)公式表示，即 (7) 式中，p為附加壓力；為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。氣泡的形成過程如下，當(dāng)氣泡開始形成前，在附加壓力作用下，毛細(xì)管中的液面高于外界液面，表面幾乎是

7、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(xì)管半徑r相等，曲率半徑達(dá)最小值，根據(jù)上式這時附加壓力達(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時的最大附加壓力為: (8) 實(shí)際測量時，使毛細(xì)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進(jìn)行計(jì)算。 將r/2作為常數(shù)K。則：=KP最大 （9）式中的儀器常數(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；0100溫度計(jì)一只；吸耳球1個；移液管(20mL) 1只；燒杯(500mL)一只。 2.

8、藥品 ：正丁醇(化學(xué)純)；蒸餾水。四、實(shí)驗(yàn)步驟 1 正丁醇溶液的配制根據(jù)正丁醇的密度計(jì)算配制2000 ml的0.50 mol·L-1正丁醇儲備液所需純正丁醇的體積，然后按溶液配制方法配制正丁醇儲備液2000 ml。再用該溶液稀釋成濃度分別為：0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.16、0.20、0.24 mol·L-1正丁醇溶液。  2 儀器準(zhǔn)備與檢漏 將水注入抽氣管中。在樣品管中用移液管注入50mL蒸餾水，調(diào)節(jié)液面，使之恰好與細(xì)口管尖端相切。再打開抽氣管的放氣口，儀器采零，關(guān)閉放氣口。打開抽氣管下部閥門，管中水流出，使體系內(nèi)的壓力降低，

9、當(dāng)壓力計(jì)中顯示一定的壓差時，關(guān)閉抽氣管下部閥門，停止抽氣。若2min3min內(nèi)，壓力計(jì)讀數(shù)不變，則說明體系不漏氣，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 3 儀器常數(shù)的測量 打開抽氣管下部的閥門對體系抽氣，調(diào)節(jié)抽氣速度，使氣泡由毛細(xì)管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間為5s10s。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(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓力計(jì)達(dá)到最大值，連續(xù)讀取三次，取其平均值（測定結(jié)果記入表3-1中） 。再由手冊中，查出實(shí)驗(yàn)溫度時，水的表面張力，則可計(jì)算出儀器常數(shù) K：K =/P最大 （10） 4 不同濃度溶液表面張力的測定 在上述體系中，

10、先用少量待測濃度的正丁醇溶液潤洗兩遍樣品管，用移液管移入該濃度的待測正丁醇溶液，用吸耳球打氣數(shù)次(注意打氣時，務(wù)必使體系成為敞開體系。使溶液濃度均勻，然后調(diào)節(jié)液面與毛細(xì)管端相切，用測定儀器常數(shù)的方法測定壓力差。然后依次測量其它濃度的正丁醇溶液，每一次都要連續(xù)讀取三次壓力計(jì)讀數(shù)，取其平均值，測定一個壓力差P最大（測定結(jié)果記入表3-1中）。 表6-1 恒溫槽溫度 ，大氣壓力 kPaC/mol·L-1壓力表讀數(shù)表面張力/ N·m-1吸附量/ mol·m-2 C/PmaxPmax平均蒸餾水0.020.040.060.080.100.120.160.200.24五、數(shù)據(jù)處理

11、1 儀器常數(shù)K的確定：根據(jù)測得的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)水的Pmax和從附錄表查得的該溫度下水的表面張力= N·m-1，由公式（10）計(jì)算儀器常數(shù)K。2 正丁醇溶液表面張力的計(jì)算：根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，用公式（9）計(jì)算不同濃度的正丁醇溶液的表面張力，把計(jì)算結(jié)果填入表3-1中。3 繪制正丁醇溶液的表面張力和濃度C的關(guān)系曲線。 N·m-1C/ mol·L-14 利用切線法確定一系列不同濃度下的吸附量，記入上表3-1中。5 利用得到的吸附量和濃度數(shù)據(jù)，以C /對C作圖。C /C (mol/L)由式（5） (5) 知：以C/對C作圖，得一直線，該直線的斜率為1/，從直線的斜率可求飽和吸附量：

12、= 6 正丁醇分子截面積的計(jì)算：根據(jù)得到的，可計(jì)算正丁醇分子的截面積為：A= 1 /L = （L為阿佛伽德羅常數(shù)）六、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，其管口剛好與液面相切。 3.讀取壓力表時，應(yīng)取氣泡單個逸出時的最大值。 七、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?否則對實(shí)驗(yàn)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?如果氣泡逸出的很快，或幾個氣泡一齊出，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有無影響? 實(shí)驗(yàn)七 蔗糖水解反應(yīng)速率常數(shù)的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.了解蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)體系中各物質(zhì)濃度與旋光度之間的關(guān)系。 2.測定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)和半衰期。 3.

13、了解旋光儀的基本原理，掌握其使用方法。 二、實(shí)驗(yàn)原理   蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)為: C12H22O11+H2O C6H12O6 + C6H12O6 蔗糖 葡萄糖 果糖 為使水解反應(yīng)加速，常以酸為催化劑，故反應(yīng)在酸性介質(zhì)中進(jìn)行。由于反應(yīng)中水是大量的，可以認(rèn)為整個反應(yīng)中水的濃度基本是恒定的。而H+是催化劑，其濃度也是固定的。所以，此反應(yīng)可視為假一級反應(yīng)。其動力學(xué)方程為 (1) 式中，k為反應(yīng)速率常數(shù)；C為時間t時的反應(yīng)物濃度。 將(1)式積分得: (2) 式中，C0為反應(yīng)物的初始濃度。 當(dāng)C=1/2C0時，t可用t1/2表示，即為反應(yīng)的半衰期。由(2)式可得:    

14、;                       (3)  蔗糖及水解產(chǎn)物均為旋光性物質(zhì)。但它們的旋光能力不同，故可以利用體系在反應(yīng)過程中旋光度的變化來衡量反應(yīng)的進(jìn)程。溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質(zhì)的種類、濃度、溶劑的性質(zhì)、液層厚度、光源波長及溫度等因素有關(guān)。 為了比較各種物質(zhì)的旋光能力，引入比旋光度的概念。比旋光度可用下式表示： (4) 式中，t為實(shí)驗(yàn)溫度()；D為

15、光源波長；為旋光度；l為液層厚度(m)；C為濃度(kg·m-3)。 由(4)式可知，當(dāng)其它條件不變時，旋光度與濃度C成正比。即： (5) 式中的K是一個與物質(zhì)旋光能力、液層厚度、溶劑性質(zhì)、光源波長、溫度等因素有關(guān)的常數(shù)。 在蔗糖的水解反應(yīng)中，反應(yīng)物蔗糖是右旋性物質(zhì),其比旋光度20D=66.6°。產(chǎn)物中葡萄糖也是右旋性物質(zhì)，其比旋光度20D=52.5°；而產(chǎn)物中的果糖則是左旋性物質(zhì)，其比旋光度20D=-91.9°。因此，隨著水解反應(yīng)的進(jìn)行，右旋角不斷減小，最后經(jīng)過零點(diǎn)變成左旋。旋光度與濃度成正比，并且溶液的旋光度為各組成的旋光度之和。若反應(yīng)時間為0，t，時

16、溶液的旋光度分別用0，t，表示。則: (表示蔗糖未轉(zhuǎn)化) (6) (表示蔗糖已完全轉(zhuǎn)化) (7) 式(6)、(7)中的K反和K生分別為對應(yīng)反應(yīng)物與產(chǎn)物之比例常數(shù)。 (8) 由(6)、(7)、(8)三式聯(lián)立可以解得: (9) (10) 將(9)、(10)兩式代入(2)式即得: (11) 由(11)式可見，以ln(t-)對t作圖為一直線，由該直線的斜率即可求得反應(yīng)速率常數(shù)k。進(jìn)而可求得半衰期t1/2。的測定通常有兩種方法：其一是將反應(yīng)液放置48 h以上，讓其反應(yīng)完全后，測定；其二是在5060的水浴中加熱30 min以上，再冷卻至室溫，測定。方法一耗時較長，方法二易發(fā)生副反應(yīng)，使溶液顏色變黃，旋光度

17、的測量不準(zhǔn)確。本實(shí)驗(yàn)采用Guggenheim法處理數(shù)據(jù)，不需要測定。把在t和t+時測得的分別用t和t+表示，所以有：t- =（0-）e-kt （12）t+- =（0-）e-k（t+） （13）（12）式 -（13）式得：t -t+= （0-）e-kt（1- e-k） （14） 上式取對數(shù)得：ln（t -t+）= ln（0-）（1- e-k）- kt （15）從（15）式可以看出，只要保持不變，右端第一項(xiàng)為常數(shù)，從ln（t -t+）對t作圖所得直線的斜率即可求得k。的取值為半衰期的23倍，或反應(yīng)接近完成的時間之半。本實(shí)驗(yàn)取=30 min，每隔5 min取一次讀數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品1.儀器 旋光

18、儀1臺，容量瓶（25 ml）1個，移液管（25 ml）2只，帶塞錐形瓶（100 ml）2只，燒杯（50 ml）1個，2.藥品 HCl（4 mol·L-1），蔗糖（分析純）。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.將恒溫槽調(diào)節(jié)到(25.0±0.1)恒溫。 2.旋光儀零點(diǎn)的校正 洗凈旋光管，將管子一端的蓋子旋緊，從另一端向管內(nèi)注入蒸餾水，把玻璃片蓋好，使管內(nèi)無氣泡存在。再旋緊套蓋，勿使漏水。用吸水紙擦凈旋光管，再用擦鏡紙將管兩端的玻璃片擦凈。放入旋光儀中蓋上槽蓋，打開光源，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，按清零鍵，完成儀器的零點(diǎn)校正。3.蔗糖水解過程中t的測定 用臺稱稱取10g蔗糖，放入100mL燒杯中，加入50mL

19、蒸餾水配成溶液(若溶液混濁則需過濾)。用移液管取25mL蔗糖溶液置于100mL帶塞三角瓶中。移取25mL，4mol·dm-3HCl溶 液于另一100mL帶塞三角瓶中。一起放入恒溫槽內(nèi)，恒溫10min。取出兩只三角瓶，將HCl迅速倒入蔗糖中（在加入HCl一半時開始記時），再來回倒三次，使之充分混合。先用混合液潤洗旋光管，然后將混合液裝滿旋光管(操作同裝蒸餾水相同)。擦凈后立刻置于旋光儀中，蓋上槽蓋。每隔5min讀一次，測定1h。將數(shù)據(jù)記入表4-1中。表4-1t/mint（t+）/mint+t -t+ln（t -t+）53510401545205025553060五、數(shù)據(jù)處理1 根據(jù)測得

20、的t和t+的數(shù)據(jù)，計(jì)算t -t+和ln（t -t+）的值，填入表1中。2 以ln（t -t+）對t作圖，從直線的斜率計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)k。ln（t -t+）t (min)由直線斜率計(jì)算反應(yīng)的速率常數(shù)K： K3.計(jì)算蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的半衰期t1/2。 t1/2六、思考題 1.實(shí)驗(yàn)中，為什么用蒸餾水來校正旋光儀的零點(diǎn)?在蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中，所測的旋光度t是否需要零點(diǎn)校正?為什么? 2.蔗糖溶液為什么可粗略配制? 3.蔗糖的轉(zhuǎn)化速度和哪些因素有關(guān)? 七、注意事項(xiàng) 1.裝樣品時，旋光管管蓋旋至不漏液體即可，不要用力過猛，以免壓碎玻璃片。       

21、; 2.在測定時，通過加熱使反應(yīng)速度加快轉(zhuǎn)化完全。但加熱溫度不要超過60。        3.由于酸對儀器有腐蝕，操作時應(yīng)特別注意，避免酸液滴漏到儀器上。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后必須將旋光管洗凈。 4.旋光儀中的鈉光燈不宜長時間開啟，測量間隔較長時應(yīng)熄滅，以免損壞。 實(shí)驗(yàn)十三 電極制備和原電池電動勢的測定對消法一、目的要求1學(xué)會銅電極、鋅電極的制備和處理方法。2掌握電位差計(jì)的測量原理和測定電動勢的方法。3理解原電池和電極電勢的概念。二、實(shí)驗(yàn)原理對消法測定電動勢就是在所研究的電池的外電路上加一個方向相反的電壓。當(dāng)兩者相等時，電路的電流為零（通過檢流計(jì)

22、指示）。此時，所研究的電池的電動勢就可以從外電路的電壓數(shù)值讀出。原電池是由兩個“半電池”組成，每個半電池中有一個電極和相應(yīng)的溶液。由不同的半電池可以組成各式各樣的原電池，電池中的正極起還原作用，負(fù)極起氧化作用，電池的電動勢等于兩個電極電位的差值：例如Cu-Zn電池 Zn|ZnSO4（a1）|CuSO4(a2)|CuZn的電極電位Cu的電極電位Cu-Zn電池的電動勢為：三、儀器與藥品SDC-II數(shù)字電位差測試儀 1套 恒流電源 1臺標(biāo)準(zhǔn)電池 1只 電極管 3只飽和甘汞電極 1只 甲電池（1.5V） 2節(jié)Zn，Cu電極片 （各1個） 飽和KCl溶液ZnSO4（0.1mol.L-1）溶液 ZnSO4

23、（0.01mol.L-1）溶液CuSO4（0.1mol.L-1）溶液 CuSO4（0.01mol.L-1）溶液飽和Hg2(NO3)2溶液 圖-13-1 電極管四、實(shí)驗(yàn)步驟1 電極制備 鋅電極 先用約3 mol.L-1的稀硫酸除去用作鋅電極的鋅片表面上的氧化物，然后用水洗滌，再用蒸餾水淋洗。把處理好的電極浸入飽和硝酸亞汞溶液35s，取出后用濾紙輕輕擦拭電極，使鋅電極表面上有一層均勻的汞齊。再用蒸餾水洗凈（硝酸亞汞有劇毒，用過的濾紙不要隨便亂扔，應(yīng)投入指定的有蓋廣口瓶內(nèi)，以便統(tǒng)一處理）。把汞齊化的鋅電極插入清潔的電極管（見圖-13-1）內(nèi)并塞緊，將電極管的虹吸管口浸入所需濃度的硫酸鋅溶液中，用針筒

24、或洗耳球自支管抽氣，將溶液吸入電極管直到較虹吸管略高一點(diǎn)時，停止抽氣，旋緊螺旋夾。裝好的虹吸管電極（包括管口）不能有氣泡，不能有漏液現(xiàn)象。汞齊化的目的時使鋅電極片表面均勻，以便得到重現(xiàn)性較好的電極電位。 銅電極 先用約4mol.L-1的硝酸浸洗用做銅電極的銅片，去掉表面的氧化物膜。然后取出用水洗滌，再用蒸餾水淋洗。以此電極片作陰極，另取一純銅片作陽極，接穩(wěn)流電源。電鍍液配置為，1000ml水中溶解15g CuSO4·5H2O，5g 濃H2SO4和5g C2H5OH。控制電流密度25 mA/cm2 左右，電鍍時間約15min。電鍍后應(yīng)使銅電極表面有一新鮮的、緊密的銅鍍層，鍍完后取出，用蒸餾水淋洗再用濾紙吸干，插入電極管，按上法吸入所需濃度的CuSO4溶液，制成銅電極。2按標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢溫度校正公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)溫度下標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢值，并對電位差測試儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正。3 飽和溶液為鹽橋，按圖-13-2所示分別將下列4組電池接入電位差測試儀的測量端，測量其電動勢。數(shù)字電位差計(jì)操作步驟見電化學(xué)測量與控制一節(jié)。（1）Zn|ZnSO4（0.1mol.L-1）|CuSO