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?、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(gè)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 AA，就需對其做功，其大小應(yīng)與從成正比：-= CT- AA(1)如果AA為1m2，則-W =0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Jm-2。也可將O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

2、-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(shí)，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(shí)，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(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：式中：r表面吸附量，mol mT熱力學(xué)溫度，當(dāng)曲2; (T 表面張力，N m 1; K; R摩爾氣體常數(shù)，其值為 8.314 J mol 一 '£小&

3、gt;0時(shí)，dC 丿 F等溫式應(yīng)用范圍很廣，但上述形式僅適用于稀溶液。 弓I起溶劑表面張力顯著降低的物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)， 層中的排列，決定于它在液層中的濃度，這可由圖3-1層中分子的排列，(3)是飽和層分子的排列)。<0時(shí)，r>0稱為正吸附；當(dāng)二蟲b6一 圖3-1被吸附分子在界面上的排列圖C 溶液濃度，mol m-3 1 K-1。r<0稱為負(fù)吸附。吉布斯吸附被吸附的表面活性物質(zhì)分子在界面看出(圖3-1中(1)和(2)是不飽和圖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(shí)，它的排列方式在改變著，最后，當(dāng)濃度足夠大時(shí)， 被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層，

4、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(shí),b在開始時(shí)顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來，以至袖勺變化很小，這時(shí) b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的長度等于遠(yuǎn)丿r，藥丿r-C應(yīng)_ CI =Z在b=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(shí)的吸附量以不同的濃度對其相應(yīng)的r可

5、作出曲線，r=f（c）稱為吸附等溫線。根據(jù)朗格謬爾（Langmuir）公式：r二幾乜二r為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時(shí)的 C疋 C+1C 1以C/ r對C作圖，得一直線，該直線的斜率為由所求得的 r代入A=1/ EoL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P,分子量M，就可計(jì)算出吸附層厚度5P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：（即施加于氣泡的附加壓力）與氣泡的半徑 r、液（Lap lace）公式表示，即式中，4）為附加壓力；b為表面張力;R為氣泡的曲率半徑。當(dāng)玻璃毛細(xì)管

6、一端與液體接觸，并減小系統(tǒng)內(nèi)壓力時(shí)，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 體表面張力 b之間的關(guān)系可由拉普拉斯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，表面幾乎是平的，這時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的最大附加壓力為：(8)%二乎或?qū)嶋H測量時(shí)， 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

7、上式進(jìn)行計(jì)算。 將 r/2 作為常數(shù) K 。則：（=K P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 C溫度計(jì)一只；吸耳球 1個(gè)；移液管（20mL） 1只; 燒杯（500mL） 一只。2. 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(chǔ)備液所需純正丁醇的體積,0.02、0.04、然后按溶液配制方法配制正丁醇儲(chǔ)備液2000 ml。再用該溶液稀釋成濃度分別為：0.06、0.08、0.10、0.12、0.16、0.20、0.24

8、 mol - 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，當(dāng)壓力計(jì)中顯示一定的壓差時(shí)， 關(guān)閉抽氣管下部閥門，停 止抽氣。若 2min 3min 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)的測量測定結(jié)果記入表 3-1 中） 。再由手冊 則可計(jì)算出儀器常數(shù) K：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(gè)氣泡形成的時(shí)間為 5S10s。若形成時(shí)間太短，

9、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（中，查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，水的表面張力K = P最大10)用移液管移入該濃度 使溶液濃 然后依次測量 測定一個(gè)壓力4不同濃度溶液表面張力的測定在上述體系中，先用少量待測濃度的正丁醇溶液潤洗兩遍樣品管，的待測正丁醇溶液，用吸耳球打氣數(shù)次（注意打氣時(shí)，務(wù)必使體系成為敞開體系。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。取其平均值,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)，差 P最大（測定結(jié)果記入表3-1中

10、）。C/-1mol L壓力表讀數(shù)表面張力-1（T / N m吸附量r-2/ mol mc/r P max Pmax平均蒸餾水0.020.040.060.080.100.120.160.200.24恒溫槽溫度表6-1C,大氣壓力kPa五、數(shù)據(jù)處理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 的表面張力 d = N 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） 填入表3-1中。3繪制正丁醇溶液的表面張力 Pmax和從附錄表查得的該溫度下水m-1，由公式（10）計(jì)算儀器常數(shù)K。計(jì)算不同濃度的正丁醇溶液的表面張力d，把計(jì)算結(jié)果d和濃度C的關(guān)系曲線。-1N m-1C/ mol L4利用切線法

11、確定一系列不同濃度下的吸附量r,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 / r對C作圖。C (mol/L)由式（5）知：以量r：r 磯 r；c/r對C作圖，得一直線,CC 1二=+該直線的斜率為 i/r，從直線的斜率可求飽和吸附&=6正丁醇分子截面積的計(jì)算：根據(jù)得到的r,可計(jì)算正丁醇分子的截面積為:=1 / n_ =（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(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)逸出時(shí)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

12、定表面張力時(shí)為什么要讀最大壓力？如果氣泡逸出的很快，或幾個(gè)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、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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. 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+H 2。T C6H12O6 + CeH 12O6蔗糖葡萄糖果糖常以酸為催化劑，故反應(yīng)在酸性介質(zhì)中進(jìn)行。由于反應(yīng)中水是大量H+是催化劑，其濃度也是固定的。所為使水解反應(yīng)加速，的，可以認(rèn)為整個(gè)反應(yīng)中水的濃度基本是恒定的。而 以，此反應(yīng)可視為假一級反應(yīng)。其動(dòng)力學(xué)方程為dl式中，k

13、為反應(yīng)速率常數(shù)；C為時(shí)間t時(shí)的反應(yīng)物濃度。將式積分得：lnC=-fe+lnCc式中，Co為反應(yīng)物的初始濃度。當(dāng)C=1/2C0時(shí)，t可用ti/2表示，即為反應(yīng)的半衰期。由（2）式可得：In 2 0.693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，弓I入比旋光度的概念。比旋光度可用下式表示:式中，t為實(shí)驗(yàn)溫度（C ）；D為光源波長；a為旋光度；I為液層厚度（m） ;C為濃度（kg m-3）。由（4）式可知，當(dāng)

14、其它條件不變時(shí)，旋光度a與濃度C成正比。即:式中的K是一個(gè)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)。20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a d=66.6 °產(chǎn)物中葡萄糖也是右旋性物質(zhì)，其比旋光度a 20d=52.5 ;而產(chǎn)物中的果糖則是左旋性物質(zhì)，其比旋光度a 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(shí)間a, a,為0, t, a時(shí)溶液的旋光度分別用a, a, oc表示。則：珂=(表示蔗糖未轉(zhuǎn)化)%二工生5 (表

15、示蔗糖已完全轉(zhuǎn)化)式、(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)。由、將(9)、于心C + Kj久-c)(7)、(8)三式聯(lián)立可以解得：(10)兩式代入 式即得：(8)(9)(10)(11)由(11)式可見，以ln( a- a)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) 進(jìn)而可求得半衰期tk。1/2。好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ac；其二是在5060C的水浴中加熱 30 min以上，再冷卻至室溫，測定 方法二易發(fā)生副反應(yīng)，使溶液顏色變黃， 處理數(shù)據(jù)，不需要測定旋光度的測量不準(zhǔn)確。本實(shí)驗(yàn)采用方法一耗時(shí)較長，Guggenheim

16、 法把在t和t+A時(shí)測得的a分別用a和a+ 表示，所以有:a- a =(a- ae-kt(12)a+ A- a =(a- ae-k (t+A)(13)(12)式-(13)式得:a - a+ A=(a- a)-kt Z 彳 -kA、e (1- e )(14)上式取對數(shù)得:In ( at - a+ A = ln(a- a (1- e-kA)卜 kt(15)(a-a+ a)對t作圖ko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所得直線的斜率即可求得的取值為半衰期的23倍，或反應(yīng)接近完成的時(shí)間之半。本實(shí)驗(yàn)取 A =30 min,每隔5min取一次讀數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品1. 儀器旋光

17、儀1臺(tái)，容量瓶（25 ml）1個(gè)，移液管（25 ml）2只，帶塞錐形瓶（100 ml）2只, 燒杯（50 ml）1個(gè)，2. 藥品HCI （ 4 mol）,蔗糖（分析純）。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 將恒溫槽調(diào)節(jié)到（25.0 ±1）C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at的測定用臺(tái)稱稱取10g蔗糖，放入100mL燒杯中，加入50mL蒸餾水

18、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 m-3HCI 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 HCI 半時(shí)開始記時(shí)），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/mina(t+ A) /minat+ Aat - a+ AIn ( a - a+ A5351040154520502555306

19、0五、數(shù)據(jù)處理1根據(jù)測得的a和a+ A的數(shù)據(jù)，計(jì)算a- a+ 和In ( a - a+A的值，填入表1中。2以In ( at-a+ A)對t作圖，從直線的斜率計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)In ( a t - at (mi n)由直線斜率計(jì)算反應(yīng)的速率常數(shù)K:3.計(jì)算蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的半衰期tl/2。tl/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a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)60C。1.裝樣品時(shí)，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。2.在測定 a時(shí)，通過加熱使

20、反應(yīng)速度加快轉(zhuǎn)化完全。但加熱溫度不要超過3. 由于酸對儀器有腐蝕，操作時(shí)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(shí)間開啟，測量間隔較長時(shí)應(yīng)熄滅，以免損壞。實(shí)驗(yàn)十三電極制備和原電池電動(dòng)勢的測定對消法、目的要求1. 學(xué)會(huì)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(dòng)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(dòng)勢就是在所研究的電池的外電路上加一個(gè)方向相反的電壓。當(dāng)兩者相等時(shí)，電路的電流為零（通過檢流計(jì)指示）。此時(shí)，所研究的電池的電動(dòng)勢就可以從外電路的電壓數(shù)值讀出。原電池是由兩個(gè)“半電池”組成，每個(gè)半

21、電池中有一個(gè)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(dòng)勢等于兩個(gè)電極電位的差值：+ RTlna+nFRT + In a_ nF例如Cu-Zn電池Zn的電極電位ZnlZnSO4 (aj |CuSO4(a2)|Cu_ Cpo-ZnnRTln 丄2FaZn2 +Cu的電極電位化2f/Cu弋2申./Cu RTln 丄2F aCu2 +Cu-Zn電池的電動(dòng)勢為:E =(護(hù)Cu2 力 Cu -W0Zn2放n)RTln 芒三、儀器與藥品SDC-II數(shù)字電位差測試儀 標(biāo)準(zhǔn)電池飽和甘汞電極Zn, Cu電極片1套1只1只（各 1 個(gè)）恒流電源電極管

22、甲電池（1.5V） 飽和KCl溶液ZnSO4 (0.1mol.L-1)溶液CuSO4 (0.1mol.L-)溶液飽和Hg2(NO3)2溶液ZnSO4 (0.01mol.L-1)溶液CuSO4 (0.01mol.L-1)溶液3.飽和溶液為鹽橋，按圖川 測量其電動(dòng)勢。(1)(2)(3)(4)四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 電極制備 鋅電極 先用約3 mol丄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

23、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 川-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(shí)，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(shí)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 5H2C, 5g濃H2SO4和

24、5g C2H5CH?？刂齐娏髅?度25 mA/cm 2左右，電鍍時(shí)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(dòng)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(dòng)勢值，并對電位差測試 儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正。Et =1.0186-4.06xl0'（t -20）-9.5xl0=（t -20）2-13-2所示分別將下列 4組電池接入電位差測試儀的測量端, 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 -1Zn|ZnSO4(0.1mol丄)|CuSQ(0.1 mol.L )|CuZn|ZnSO4(0.1 mol.L-1)|HCl (飽和)|Hg2Cl2, Hg Hg