最大氣泡法測定溶液中的吸附作用和表面張力的測定

1、最大氣泡法測定溶液中的吸附作用和表面張力的測定1.1 實驗目的及要求1.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系。2.掌握一種測定表面張力的方法最大氣泡法。3.學會計算乙醇水溶液的表面張力、表面吸附量及乙醇分子的橫截面積。1.2實驗原理1.物體表面分子和內(nèi)部分子所處的境遇不同，表面層分子受到向內(nèi)的拉力，所以液體表面都有自動縮小的趨勢。如果把一個分子由內(nèi)部遷移到表面，而增大表面積就需要對抗拉力而做功。在溫度、壓力和組成恒定時，可逆地使表面增加dA所需對體系做的功，叫表面功?？梢员硎緸椋?-dA (1)式中為比例常數(shù)，反映液體表面自動縮小趨勢的能力。顯然在數(shù)值上等于當T、p和組成恒

2、定的條件下增加單位表面積時所必須對體系做的可逆非膨脹功，也可以說是每增加單位表面積時體系自由能的增加值。環(huán)境對體系作的表面功轉變?yōu)楸砻鎸臃肿颖葍?nèi)部分子多余的自由能。因此，稱為表面自由能，其單位是。此單位可化為牛頓每米（），據(jù)此可把看作是液體表面單位長度上的力，它導致縮小液體的表面積，此力稱為表面積張力。表面張力是液體的重要特性之一，與所處的溫度、壓力、濃度以及共存的另一相的組成有關。純液體的表面張力通常是指該液體與飽和了其本身蒸氣的空氣共存的情況而言。2.液體表面層的組成與內(nèi)部層相同，因此，純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。對于溶液則由于溶質(zhì)會影響表面張力，因此可以調(diào)節(jié)溶

3、質(zhì)在表面層的濃度來降低表面自由能。根據(jù)能量最低原則，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時，表面層中溶質(zhì)的濃度應比溶液內(nèi)部來得大。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)部的濃度來得低，這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫“溶液表面的吸附”。顯然，在指定溫度和壓力下，吸附與溶液的表面張力及溶液的濃度有關。1878年，Gibbs用熱力學的方法推導出它們之間的數(shù)量關系式： （2）式中為溶液在表面層中的吸附量，即表面超量 ;為溶液的表面張力；為熱力學溫度；為溶液濃度；R為氣體常數(shù)。當時，稱為正吸附；反之，當時，稱為負吸附。前者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力下降，此類物質(zhì)稱表面活性物質(zhì)。后者表明加入

4、溶質(zhì)使液體表面張力升高，此類物質(zhì)稱非表面活性物質(zhì)。因此，從Gibbs關系式可看出，只要測出不同濃度溶液的表面張力，以對c作圖，在圖的曲線上作不同濃度的切線，把切線的斜率代入Gibbs吸附公式，即可求出不同濃度時氣液界面上的吸附量。在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關系由Langmuir等溫式表示： （3）式中為飽和吸附量，K為經(jīng)驗常數(shù)，與溶質(zhì)的表面活性大小有關。將(3)式取倒數(shù)可化成直線方程則： （4）若以對c作圖可得一直線，由直線斜率即可求出。假若在飽和吸附的情況下，在氣液界面上鋪滿豎直排列的一單分子層，1m2表面上溶質(zhì)的分子數(shù)為（L為阿佛加得羅常數(shù)），則可應用下式求得被測物質(zhì)的橫截面積

5、。 (5)3最大氣泡法測定表面張力的裝置和原理。最大氣泡法測表面張力的裝置將待測表面張力的液體裝入帶支管的試管中，蓋上帶有毛細管的塞子（組成表面張力儀）。當表面張力儀中的毛細管端面與待測液體面相切時，液面即沿毛細管上升。打開分液漏斗的活塞，使水緩慢下滴而減少系統(tǒng)壓力。這樣毛細管內(nèi)液面上受到一個比試管中液面上大的壓力，而把管中液面壓至管口。當此壓力差在毛細管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細管口液體的表面張力時，便形成最大的氣泡而從毛細管口逸出。這一最大壓力差可由U型壓力計上讀出。根據(jù)拉普拉斯方程，此壓力差與毛細管口半徑R的關系式為p大氣-p系統(tǒng) = (6)這一最大壓力差可用U型壓力計中最大的液柱差表

6、示： （7）式中為U型管中液體的密度，g為重力加速度，因此 （8）式中：K為儀器常數(shù)（亦稱毛細管常數(shù)）。因此，以已知表面張力的液體為標準，從式(8)即可求出K再測得其它液體的，便可計算其表面張力。13儀器與藥品恒溫裝置1套，燒杯(25ml)1個，帶有支管的試管(附木塞)1支，毛細管(半徑為0.150mm0020mm)1根，容量瓶(50mL)8只，數(shù)字式微壓差測量儀1臺，乙醇(分析純)。14實驗步驟1.安裝儀器：洗凈儀器并按圖裝置。對需干燥的儀器作干燥處理。2.配置乙醇溶液：分別配制002mol/L，0.05molL，010molL，015molL，0.20molL，025molL，030mol

7、/L，035mol/L乙醇溶液各50mL。3. 調(diào)節(jié)恒溫為25。4.儀器常數(shù)測定，先以蒸餾水作為待測液測定其儀器常數(shù)。方法是將干燥的毛細管垂直地插到使毛細管的端點剛好與水面相切，打開滴液漏斗，控制滴液速度，使毛細管逸出的氣泡，速度約為5s10s1個。在毛細管口氣泡讀出U型管兩邊液面最大高度差。可讀三次，取其平均值。通過手冊 查出實驗溫度時水的表面張力，利用公式，求出儀器常數(shù)K。 5.待測樣品表面張力的測定：用待測溶液洗凈試管和毛細管，加入適量樣品于試管中，按照儀器常數(shù)測定的方法，測定不同待測樣品的。計算其表面張力。 6.乙醇溶液的折光率測定：每個樣品測出后，隨即用滴管吸取該溶液滴，置于棱鏡上，

8、用阿貝折光儀測其折光率（）。查工作曲線得各樣品的準確濃度。1.5實驗注意事項 1.測定用的毛細管一定要洗干凈，否則氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定地流過，而使壓差計讀數(shù)I不穩(wěn)定，如發(fā)生此種現(xiàn)象，毛細管應重洗。 2.毛細管一定要保持垂直，管口剛好插到與液面接觸。 3.雜質(zhì)對的影響很大，配制溶液應使蒸餾水。4.應讀出氣泡單個逸出時的最大壓力差。5.與溫度密切相關，應使表面張力儀浸入恒溫槽的水中。16數(shù)據(jù)處理1.由附錄表中查出實驗溫度時水的表面張力，算出毛細管常數(shù)K。2.由實驗結果計算各份溶液的表面張力，并作曲線。3在曲線上分別在0050mol/L，0100molL，0150molL，0200molL，0250

9、molL和0300molL處作切線，分別求出各濃度的值，并計算在各相應濃度下的。 4.用對c作圖，應得一條直線，由直線斜率求出。5根據(jù)公式(2.5)計算乙醇分子的橫截面積。 溶液 項目ABCDEFGHH2ODh14.934.683.803.633.143.062.852.606.2724.944.693.813.623.133.072.842.616.2734.944.693.803.613.153.072.852.636.274.944.693.803.623.143.072.852.616.27s´102(N/m)5.67005.38324.36164.15503.60413.5

10、2373.27122.99587.1967n D 251.33521.33611.34101.34291.34851.34891.35291.3576C%3.895.0512.0014.5522.2022.7628.8538.19(¶s/¶c)T´103-208.3-170-105.4-70.74-58.37-53.18-38.26-16.55G´106(mol/m2)3.2603.4534.9914.1405.2134.8674.4402.543c/G´10-41.1931.4622.4043.5144.2974.6766.49815.02s

11、´102c%關系圖G´106c%關系圖1.7思考題1.用最大氣泡法測定表面張力時為什么要讀最大壓力差?解：若抽氣速度太快，氣泡的形成與逸出速度快而不穩(wěn)定；亦使U型壓力計中的酒精所處的位置相對不穩(wěn)定，來回速度跳動，致使讀數(shù)不穩(wěn)定，不易觀察出其最高點而起到較大的誤差。2.如果毛細管末端插入溶液中進行測量行嗎？為什么？解：不行。若插入到液體內(nèi)部形成氣泡的表面張力就不等于液面的壓力差，即。在氣泡破裂之前，它所承受的最大壓力差與浸入的深度、體積有關，即浮力、重力的等因素影響而測不準。3.本實驗中為什么要讀取最大壓力差？解：分析毛細管口氣泡的形成與破裂的過程中，氣泡的半徑與氣泡膜表面張

12、力的關系如圖：當時，氣泡的達到最大，此時等于。當時，減??；而繼續(xù)抽氣，使壓力差增大而導致氣泡破裂。1. 8討論1.若毛細管深入液面下Hcm，則生成的氣泡受到大氣壓和的靜液壓。如能準確測知H值，則根據(jù))來測定值。但若使毛細管口與液面相切，則H0，消除了項，但每次測定時總不可能都使Ho，故單管式表面張力儀總會引入一定的誤差。有一種雙管式表面張力測定儀，用兩根半徑不同的毛細管，細毛細管的半徑r1約0005cm001cm，粗毛細管半徑約為01cm02cm，同時插入液面下相同深度，同法壓入氣體使在液面下生成氣泡，由于管徑不同，所需的最大壓力也不相同，設粗，細兩毛細管兩者的壓力差為，則所測液體的表面張力可

13、通過下式求得： 式中r2為粗毛細管半徑，可由讀數(shù)顯微鏡直接測量；A為儀器的特性常數(shù)，可由已知表面張力液體的壓力差而求得；為被測液體的密度。這種儀器的優(yōu)點，是毛細管插入液面的高低對結果沒有影響，其準確度可達0.1，但對粗細毛細管的孔徑有一定要求。2.測定表面張力的方法很多，如毛細管升高法、滴重（體積）法及圈環(huán)法等。3.各種測定表面張力方法的比較：圈環(huán)法精確度在1以內(nèi)，它的優(yōu)點是測量快，用量少，計算簡單，故對表面張力隨時間而很快變化的膠體溶液特別有用。亦可來研究溶液表面溫度的變化情況。如果利用適當?shù)膬x器也具有好的精度。最大的缺點是控制溫度困難。對易揮發(fā)性液體常因部分揮發(fā)使溫度較室溫略低。最大氣泡法

14、所用設備簡單，操作和計算也簡單，一般用于溫度較高的熔融鹽表面張力的測定，對表面活性劑此法很難測準。毛細管上升法最精確(精確度可達o05)，因而常用來作等張比容測定以研究分子的結構。但此法的缺點對樣品潤濕性要求極嚴，只有對管壁接觸角"為。的樣品才能得準確結果，而對口角不為。的樣品，計算式中含有cos"項，而"角難以測準，因此毛細管法在應用上受到限制。滴體積法設備簡單操作方便，準確度高，同時易于溫度的控制，已在很多科研工作中開始應用，但對毛細管的要求較嚴，要求下口平整、光滑、無破口。表2為不同方法測定表面張力方法的比較方法表面平衡情況與潤濕性關系是否要p值儀器溫控數(shù)據(jù)處理毛細管法很好密切有關要測高儀或讀數(shù)顯微鏡易要校正脫環(huán)法好有關要扭力天平不易應加校正氣泡法不平衡基本無關要U型壓力計不易應加校正滴體積接近平衡但不完全基本無關要微量吸管或天平易要校正實驗溫度 25 oC 溶液 項目ABCDEFGHH2ODh12355.648.643.839.435.333