最大起泡法測(cè)分子橫截面積

1、實(shí)驗(yàn)十四溶液中的吸附作用和表面張力的測(cè)定最大氣泡壓力法Determination of Surface Tension Using Maxinum Bubble Pressure Method1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1） 通過(guò)測(cè)定不同濃度（c）正丁醇水溶液的表面張力（b ）,由b -c曲線求溶液界面上的 吸附量和單個(gè)正丁醇分子的橫截面積（S0）。2）了解表面張力的性質(zhì)、表面能的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系。3）掌握一種測(cè)定表面張力的方法一一最大氣泡法。2. 預(yù)習(xí)要求：1）掌握最大氣泡壓力法測(cè)定表面張力的原理。2）了解影響表面張力測(cè)定的因素。3）了解如何由表面張力的數(shù)據(jù)求正丁醇的橫截面積。3. 實(shí)

2、驗(yàn)原理：1） 物體表面的分子和內(nèi)部分子所處的境況不同，因而能量也不同，如圖12-1所示，表面層的分子受到向內(nèi)的拉力，所以液體表面都有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)。如要把一個(gè)分子由內(nèi)部遷移到表面，就需要對(duì)抗拉力而作功，故表面分子的能量比內(nèi)部分子大。增加體系的表面，即增加了體系的總能量。體系產(chǎn)生新的表面（ A）所需耗費(fèi)功（W）的量，其大小應(yīng)與 A成正比。-W=b A（12.1 ）如果 A =l貝U - W= b ,即在等溫下形成 1 W新的表面所需的可逆功。故b稱為單位表面的表面能，其單位為 Nm1。這樣就把b看作為作用在界面上每單位長(zhǎng)度邊緣上的力，通 常稱為表面張力。它表示表面自動(dòng)縮小的趨勢(shì)的大小。表面張力是

3、液體的重要特性之一,與所處的溫度、壓力、液體的組成共存的另一相的組成等有關(guān)。純液體的表面張力通常指該液體與飽和了其自身蒸氣的空氣共存的情況而言。圖12-1 分子間作用力示意 圖2）在純液體情形下，表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此液體降低體系表面自由能的唯一途徑是盡可能縮小其表面積。對(duì)于溶液，由于溶質(zhì)會(huì)影響表面張力，因此可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的濃度來(lái)降低表面自由能。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶液的表面張力時(shí)，表面層中溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部大，反之，溶質(zhì)使溶液的表面張力升高時(shí)，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低。這種表 面濃度與溶液里面濃度不同的現(xiàn)象叫“吸附”。顯然，在指定溫度和壓力下，吸附與溶

4、液的表面張力及溶液的濃度有關(guān)。Gibbs用熱力學(xué)的方法推導(dǎo)出它們間的關(guān)系式(12.2 )式中，一氣-液界面上的吸附量（mol itf）：b 一溶液的表面張力（N - m1）;3T 一絕對(duì)溫度（K） ; c一溶披濃度（mol m ）：R 一氣體常數(shù)（8.314 J - mol-1 - K-1）。（塞（票）S當(dāng)/ 時(shí)，UO,稱為正吸附。反之， 已 時(shí)，r <q稱為負(fù)吸附。前者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力下降，此類物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)， 后者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力升高，此類物質(zhì)叫非表面活性物質(zhì)。表面活性物質(zhì)具有顯著的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 它是由親水的極性部分和憎水的非極性部分構(gòu)成。對(duì)于有機(jī)化合物來(lái)說(shuō)，

5、表面活性物質(zhì)的極性部分一般為-NH3+, -OH, -SH, -COOH -S0 20H。而非極性部分則為 RCIH-。正丁醇就是這樣的分子。在水溶液表面的表面活性物質(zhì)分子，其極性部分朝向溶液內(nèi)部，12.2(c)。而非極性部分朝向空氣。表面活性物質(zhì)分子在溶液表面的排列情形隨其在溶液中的濃度不同 而有所差異。當(dāng)濃度極小時(shí)，溶質(zhì)分子平躺在溶液表面上，如圖 12.2（a）,濃度逐漸增加， 分子排列如圖12.2（b）,最后當(dāng)濃度增加到一定程度時(shí)，被吸附了的表面活性物質(zhì)分子占據(jù) 了所有表面形成了單分子的飽和吸附層如圖圖12-2 不同濃度時(shí)，溶質(zhì)分子在溶液表面的排列情況正丁醇是一種表面活性物質(zhì)，其水溶液的

6、表面張力和濃度關(guān)系符合Gibbs吸附公式（12-2 ）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得正丁醇不同濃度下的表面張力b，在恒溫下作b - c曲線（表面張力等溫線），當(dāng)c增加時(shí)，b在開(kāi)始時(shí)顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來(lái)，以至b的變化很小，這時(shí)b的數(shù)值恒定為某一常數(shù)（見(jiàn)圖 12-3 ），利用圖解法可求出對(duì)應(yīng)于每個(gè)濃度的（如過(guò)a點(diǎn)作b - c曲線的切線，切線的斜率即為）?；蛟谧鞒鯾 - c曲線后，用計(jì)算機(jī)擬合出曲線方程，求導(dǎo) 得到一反映c 關(guān)系的解析式，求出不同 濃度c下的。將 代入Gibbs吸附公 式12-2，可以求出不同濃度時(shí)氣 -液界面上的吸附量 P o圖12.3 b -c曲線在一定溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)

7、系由Langmuir等溫方程式表示:(12.3)I”為飽和吸附量, 則K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與溶質(zhì)的表面活性大小有關(guān)。將（12-3）式化成直 線方程,(12.4)若以c/c作圖可得一直線，該直線的斜率為1 / Is,由直線斜率即可求出I%假設(shè)在飽和吸附情況下，正丁醇分子在氣-液界面上鋪滿一單分子層，則可應(yīng)用下式求得正丁醇分子的橫截面積S。(12.5)式中，市為阿佛加德羅常數(shù)。若已知溶質(zhì)的密度隊(duì)分子量M,就可計(jì)算出吸附 層厚度a ：,55 =(12.6)P3) 最大氣泡 壓力法測(cè)量表面張力的裝置示意 圖如12.4。當(dāng)表面張力儀中的毛細(xì)管截面與欲 測(cè)液面相齊時(shí)，液面沿毛細(xì)管上升。打開(kāi)滴液漏斗的 活塞，使水

8、緩慢下滴而使體系內(nèi)的 壓力(Ps)增加，這時(shí)毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到一個(gè)比恒溫 試 管中液面上稍大的 壓力，因此毛細(xì)管內(nèi)的液面 緩緩下降。當(dāng)此壓力差在毛 細(xì)管端面上 產(chǎn)生的 作用力稍大于毛 細(xì)管口溶液的表面 張力時(shí)，氣泡就從毛 細(xì)管口逸出。由于數(shù)字式微 壓差測(cè)量 儀在使用前 調(diào)零，因而這一最大壓力差就等于系 統(tǒng)壓力，該壓力可由數(shù)字式微 壓差測(cè)量?jī)x上 直接讀出，其關(guān)系式為：Pa=0 , Pmax= Ps,其中Pa為大氣壓力，Ps為系統(tǒng)壓力。若毛細(xì)管半徑為，氣泡由毛 細(xì)管口逸出時(shí)，受到向下的 總壓力為兀Pmax。氣泡在毛細(xì)管受到的表面張力引起的作用力為2兀rb,當(dāng)氣泡自毛細(xì)管口逸出時(shí)，上述兩 力相等。

9、即：兀 r Pmax=2 兀 r b , b =r Pmax 12。(12.7)使用同一根毛 細(xì)管，對(duì)具有表面張力為b1和b2的液體而言，則有下列關(guān)系：b 1= r A Pi /2b 2= r P2 /2(12.8)兩式相比，有：b 1= b 2 A Pi / P2=kPi,儀器常數(shù)k= r/2 ,由此求得b 2=kP2(12.9)用已知表面 張力b 1的的液體，從12-9式可求出其他液體的表面 張力b 2。M字式房圖12.4最大氣泡法表面 張力測(cè)定裝置1.恒溫套管2.毛細(xì)管(r在0.150.2mm)3.數(shù)字式微壓差測(cè)量?jī)x4. 分液漏斗5.吸濾瓶6、連接橡皮管。4.儀器試劑超級(jí)恒溫水浴1臺(tái)；數(shù)

10、字壓力計(jì)1臺(tái)；恒溫套管1支；250分液漏斗抽l個(gè);毛細(xì)管(0.150.2mm) 1 支； 燒杯(500mL) 1 個(gè)；100mL 容量瓶 9 個(gè)；500mL 吸濾瓶 1 個(gè)；20、15、10mL移液管各1支；1.0mol dm-3正丁醇溶液(AR);重蒸儲(chǔ)水。5. 實(shí)驗(yàn)步驟1) 儀器常數(shù)的測(cè)定(1)毛細(xì)管常數(shù)的測(cè)定：按實(shí)驗(yàn)裝置圖裝好儀器，打開(kāi)恒溫水浴，使其溫度 穩(wěn)定于25C。取一支浸泡在洗液中 的毛細(xì)管依次用自來(lái)水，蒸儲(chǔ)水反復(fù)清洗若干次，同樣把玻璃套管也清洗干 凈，加上蒸儲(chǔ)水， 插上毛細(xì)管，用套管下端的 開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié) 液面恰好與毛 細(xì)管端面相切，使 樣品在其中恒溫10分 鐘。在分液漏斗中加入適量的

11、水并與吸濾瓶連接好，注意切勿使體系漏氣。 然后調(diào)節(jié)分液漏斗下的活塞使水慢慢滴入吸 濾瓶中，這時(shí)體系壓力逐漸增加，直至氣泡由毛 細(xì)管口冒出，細(xì) 心調(diào)節(jié)出泡速度，使之在5-10秒鐘內(nèi)出一個(gè)。注意氣泡爆破 時(shí)微型壓力計(jì)的讀數(shù)，并重復(fù) 記錄最高值三次，求平均值而得 Ph2o ,根據(jù)手冊(cè)查出25 C時(shí)水的表面張力為b =71.97 10-3N m-1,以b h2o/ Ph2o=K，求出所使用的毛 細(xì)管常數(shù)。(2)不同濃度的正丁醇溶液表面 張力的測(cè)定：以0.8mol dm-3濃度的正丁醇溶液 為基準(zhǔn)，分別準(zhǔn)確配制 0.020、0.040、0.060、0.08> 0.10、0.12、0.15、0.20

12、 mol dm-3的正丁醇溶液各100mL。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，按照由稀至 濃的順序依次進(jìn)行測(cè)量。求得一系列 濃度的正丁醇溶液的 P正丁醇。本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于溶液濃度的準(zhǔn)確性和所用毛 細(xì)管、恒溫套管的清 潔程度。因此除事先 用熱的洗液清洗它 們以外，每改變一次測(cè)量溶液必須用待測(cè)的溶液反復(fù)洗滌它們，以保證所 測(cè)量的溶液表面 張力與實(shí)際溶液的濃度相一致。并控制好出泡速度、平穩(wěn)地重復(fù)出現(xiàn)壓力差。 而不允許氣泡一連串地出。洗 滌毛細(xì)管時(shí)切勿碰破其尖端，影響 測(cè)量。溫度對(duì)該實(shí)驗(yàn) 的測(cè)量影響也比 較大，實(shí)驗(yàn)中請(qǐng)注意觀察恒溫水浴的溫度，溶液加入 測(cè)量 管后恒溫10min后再進(jìn)行讀數(shù)測(cè)量。6. 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1)

13、 測(cè)定用的毛 細(xì)管和恒溫 試管一定要先洗干 凈，玻璃不掛水珠 為好，否則氣泡可能不 能連續(xù)穩(wěn)定地通過(guò)，而使壓力計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定。2) 毛細(xì)管端口一定要 剛好垂直切入液面，管口要和液面剛好接觸，不能離 開(kāi)液面，但 亦不可深插。3) 表面張力和溫度有 關(guān)，因此要等溶液恒溫后再 測(cè)量。4) 控制好出泡速度，從毛 細(xì)管口脫出氣泡 每次應(yīng)為一個(gè)，即間斷脫出，讀取壓力計(jì)的 壓力差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)逸出時(shí)的最大 壓力差。5) 正丁醇溶液要準(zhǔn)確配置，使用 過(guò)程防止揮發(fā)損失。7. 數(shù)據(jù)記錄及處理：室溫：(T H2°l)記錄數(shù)據(jù)表格:大氣壓： PH2O :恒溫槽溫度：毛細(xì)管常數(shù)K:容量瓶編號(hào)1234567+8正丁醇用量/ml2.557.51012.5152025溶液濃度/mol dm30.0200.0400.0600.0800.100.120.160.20壓差讀數(shù)/Pa正丁醇水溶液的b 正丁醇水溶液的 db /dc正丁醇水溶液的r正丁醇水溶液的c/r2）作b - c曲線（用Excel作圖），求出曲線方程，求 導(dǎo)數(shù)得一解析式，利用 該式求出 不同濃度時(shí)正丁醇水溶液的 b。值，作：T