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層分子的吸引與受表面層外介質的吸引并不相同，所以，表面層的分子處于力不平衡狀態(tài)，表面層的分子 比液體內部分子具有較大的勢能，如欲使液體產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。在純物質情況下，表面層的組成與內部的相同，但溶液的情況卻不然，加入溶質后溶液的 表面張力發(fā)生變化。根據(jù)能量最低原則，當溶質降低溶劑的表面張力時，表面層中的溶質的濃 度比溶液內部的大；反之，溶質使溶劑的表面張力升高時，它在表層中的濃度比在內部的濃度 低。這種表面濃度與溶液內部濃度不同的現(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，從熱力學可知，他 們之間的

3、關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稱為表面活性物質，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。它們的主要作用發(fā)生在界面上，所 以研究這些物質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飽和吸附分子層的厚度:(6)其中M為

5、溶質摩爾質量，為溶質密度。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，關閉與大氣相連的三通管，打開抽氣瓶的活塞，使

8、瓶內的水漫漫滴出，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、抽氣瓶的活塞調好后就不要再隨便動，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3結果與討論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)、結果計算機處理數(shù)據(jù)結果（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，線性相關度高，實驗結果理想。5參考文獻1、基礎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，所以儀器不干凈或者樣品不純會直接影響測量的結果，導致實驗失敗。2. 氣泡形成速度的快慢對結果有何影響？如果每次出2-3 個氣泡對結果有和影響？氣泡形成速度關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，導致測量結果不準，所以，要 通過調節(jié)抽氣瓶的活塞來控制氣泡產生的速度，在允許的范圍內，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？毛細管內徑的均勻與否對結果