材93-最大氣泡法測溶液表面張力-2011-3-24

1、實驗名姓名：王成班級：材93提交日期：2011/3/27學號：2009012004 實驗日期：2011/3/24同組人：李明哲、曲永峰助教：江寅1引言1.1實驗目的1. 用最大氣泡法測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力。2. 利用吉布斯公式計算不同濃度下正丁醇溶液的吸附量，進而求出正丁醇分子截面積和 吸附分子層厚度。3. 學會鏡面法作切線的方法。1.2實驗原理在液體內(nèi)部，任何分子受周圍分子的吸引力是平衡的，可是表面層的分子受內(nèi)層分子的吸引與受表面層外介質(zhì)的吸引并不相同，所以，表面層的分子處于力不平衡狀態(tài)，表面層的分子 比液體內(nèi)部分子具有較大的勢能，如欲使液體產(chǎn)生新的表面就需對其作功。在溫度、壓力和

2、組 成恒定時，可逆的使表面積增加dA所需作的功為W= dA (1)比例系數(shù)等于在等溫等壓下形成單位表面所需的可逆功，其比值等于作用在界面上每單 位長度邊緣上的力，稱為表面張力。在純物質(zhì)情況下，表面層的組成與內(nèi)部的相同，但溶液的情況卻不然，加入溶質(zhì)后溶液的 表面張力發(fā)生變化。根據(jù)能量最低原則，當溶質(zhì)降低溶劑的表面張力時，表面層中的溶質(zhì)的濃 度比溶液內(nèi)部的大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時，它在表層中的濃度比在內(nèi)部的濃度 低。這種表面濃度與溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。顯然，在指定的溫度和壓 力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的濃度及溶液的表面張力隨濃度的變化率有關(guān)，從熱力學可知，他 們之間的

3、關(guān)系遵守吉布斯吸附公式：c dRT de吸附量,mol ?m式中；cTR表面張力，N ?m ;溶質(zhì)的濃度，mol ?m 3;熱力學溫度，K;摩爾氣體常數(shù)，8.314J ?mol 1 ?K當d_dc0時,0稱為正吸附；當0時，0稱為負吸附溶于溶液中能使其表面張力降低的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)，工業(yè)和日常生活中廣泛應用的去污劑，乳化劑，潤滑劑以及起泡劑等都是表面活性物質(zhì)。它們的主要作用發(fā)生在界面上，所 以研究這些物質(zhì)的表面效應是有實際意義的。如果作 c曲線，開始時 隨c的增加而下降較快，以后的變化比較緩慢。根據(jù)c曲線，可以用作圖法求出不同濃度的值。在c曲線上任取一點 a，過a點作曲線的切線以及平行于橫

4、坐標的直線分別交縱坐標pi"7軸于b、b'，令bb'乙則Z -c,帶入（2）時， 。從c曲線上取不同dcRT的點，就可以得出不同的 Z值，從而可以求出不同濃度下的吸附量。吸附量與濃度之間的關(guān)系可以用朗格繆爾等溫吸附方程表示。在一定溫度下，吸附量與溶液濃度之間有如下關(guān)系：kc（3）1 kc式中為飽和吸附量，k為常數(shù)。上式以改寫為如下形式：c c1k（4）若以c對c作圖，應為一直線，其斜率倒數(shù)即為由于單位面積上的分子數(shù)為L （L為阿弗加德羅常數(shù)），所以每個分子在表面上所占的 面積，即分子的截面積為:(5)我們還可以從下式求出表面活性物質(zhì)飽和吸附分子層的厚度:(6)其中M為

5、溶質(zhì)摩爾質(zhì)量，為溶質(zhì)密度。本實驗采用最大氣泡法測定液體表面張 力，原理如圖31-2所示。將待測液體裝入大試管 4中，使毛細管1 的端面于液面相切，液面即沿毛細管上升。打開抽氣瓶3的活塞抽氣。毛細管內(nèi)的液面上受 到比試管4較大的壓力，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的液體 的表面張力時，氣泡就從毛細管口被壓出。這個最大的壓力差值可由 U形壓力計2讀出：圖32厠定表面張力裝這1.毛細管2+壓力討3.抽邑瓶札大試管式中h為U形壓力計兩邊讀數(shù)之差，g為重力加速度,為壓力計內(nèi)液體的密度。Pmax另一方面，當氣泡在毛細管口逐漸長大時，其曲率半徑逐漸漸小。氣泡達到最大時便會破裂，此時曲率

6、半徑最小，等于毛細管半徑R。這時氣泡能承受的壓力差最大，為2 R它應等max若用同一支毛細管和壓力計，對兩種具有不同表面張力（7）1和2的液體進行測量，下列關(guān)系式成立:丄hi2h2故有2h2h1K h1(8)式中的K值對于同一只毛細管及同一種壓力計介質(zhì)是常數(shù)，稱作儀器常數(shù)。由已知表面 張力的液體作標準求出常數(shù) K，便可用上式求其它液體的表面張力。2 實驗操作2.1實驗藥品、儀器型號及測試裝置示意圖計算機及接口； LZ-P2微壓（壓差）計；表面張力儀（自制）一套； 900ml、500 ml燒杯各 一個；100 ml容量瓶5個；50 ml、25 ml移液管各一支；滴管一支；吸耳球；洗瓶；0.4 m

7、ol dm?正丁醇水溶液2.2實驗條件水槽恒溫20 C。2.3實驗操作步驟及方法要點1、配制溶液用實驗室已準備好的 0.4mol - dm3正丁醇水溶液分別稀釋配制0.3、0.2、0.1、0.05、0.025mol dm?的正丁醇水溶液。2、打開電源，檢查儀器裝置與藥品。讀取水浴溫度計的讀數(shù)。3、打開計算機，選擇數(shù)據(jù)采集 -表面張力雙擊進入。4、測定儀器常數(shù)。用去離子水充分洗凈大試管和毛細管，并往大試管中注入適量去離子水，使毛細管端口與水面剛好垂直相切。將大試管安裝在水浴中，給抽氣瓶注滿水，檢查活塞，打開三通管與大氣相連，單擊開女始衛(wèi)定1020秒后，關(guān)閉與大氣相連的三通管，打開抽氣瓶的活塞，使

8、瓶內(nèi)的水漫漫滴出，觀察微壓壓差計的讀數(shù)和計算機數(shù)據(jù)采集界面采集數(shù)據(jù)的變化。穩(wěn)定后，記錄100秒氣泡吐出的數(shù)據(jù)。單擊完舟成并命名存盤。5、 測定正丁醇水溶液的表面張力。方法同4,分別測定0.4、0.3、0.2、0.1、0.05、0.025 mol dm3的正丁醇水溶液。注意每次測量前應用待測溶液清洗大試管和毛細管。測定完畢后退出。觀察并讀取水浴溫度計的讀數(shù)。6、一定要把大試管及毛細管洗干凈，溶液配制一定要準確。7、毛細管一定要于液面垂直相切，出泡不可過速。8、抽氣瓶的活塞調(diào)好后就不要再隨便動，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3結(jié)果與討論3.1原始實驗數(shù)據(jù)電壓/Mv0.1%正丁醇壓力變化米集曲線5.00E-0

9、2O.OOE+OO-5.00E-02-1.00E-01-1.50E-01-2.00E-01-2.50E-01電壓/mv0.25%正丁醇壓力變化采集曲線5.00E-020.00E+00 -5.00E-02 -1.00E-01 -1.50E-01 -2.00E-01-2.50E-01電壓/Mv0.3%正丁醇壓力變化米集曲線4.00E-02 2.00E-02 0.00E+00 -2.00E-02 -4.00E-02 -6.00E-02 -8.00E-02 -1.00E-01 -1.20E-01 -1.40E-01 -1.60E-01 -1.80E-013.2計算的數(shù)據(jù)、結(jié)果計算機處理數(shù)據(jù)結(jié)果（舍棄了

10、 c=0.2的一組數(shù)據(jù)）：C(mol /L)E(mv)(N/m)(mol/m2 106)Z( N/m0.0250.2830.071482.277150.005550.050.2540.064163.415720.00981920.10.2350.059364.554300.01171660.150.2170.054815.123580.01278910.250.1960.049515.692870.01278910.30.1730.043705.855520.01347850.40.1630.041776.072400.0139590.50.1460.036886.210400.0145848

11、=6.8314 105mol/m24結(jié)論 152畫圖得出直線斜率為 k=l4638 ,= =6.832 10（mol/m2）。與之前由實驗軟件得出k的數(shù)據(jù) =6.8314 10-5mol/m2吻合。氏=1，線性相關(guān)度高，實驗結(jié)果理想。5參考文獻1、基礎(chǔ)物理化學實驗清華大學賀德華、麻英、張連慶編2、簡明物理化學 朱文濤、王軍民、陳琳編著6 附錄1. 為什么說儀器的干凈及樣品的純凈是實驗的關(guān)鍵？ 儀器不干凈或者樣品不純，會導致配制的溶液濃度有偏差，而溶液的表面張力與溶液的濃 度直接相關(guān)，所以儀器不干凈或者樣品不純會直接影響測量的結(jié)果，導致實驗失敗。2. 氣泡形成速度的快慢對結(jié)果有何影響？如果每次出2-3 個氣泡對結(jié)果有和影響？氣泡形成速度關(guān)系到峰值曲線測定的準確程度，出得太快，峰值太密，選擇性不好；出得 太慢，氣泡與溶液接觸時間太長，會使氣體有部分溶于溶液中，導致測量結(jié)果不準，所以，要 通過調(diào)節(jié)抽氣瓶的活塞來控制氣泡產(chǎn)生的速度，在允許的范圍內(nèi)，可以稍慢一些。如果每次出 2-3 個氣泡，會使屏幕上的峰值有較大的波動，峰值位置相差較大，這樣采集的數(shù)據(jù)就失去了 有效性。3. 為什么毛細管端口必須和液面相切？毛細管內(nèi)徑的均勻與否對結(jié)果