溶液表面張力的測定

1、物理化學(xué)實驗實驗五：溶液表面張力的測定 一一最大氣泡法實驗人：沈勇分六學(xué)號：2006011712同組實驗者：米碩、任河實驗日期：2009-5-7提交報告日期：2009-5-21 帶實驗的老師姓名：王力實驗題目 溶液表面張力的測定 一一最大氣泡法沈勇/2006011712、分六（同組實驗者姓名：米碩、任河）實驗日期2009-5-7 提交報告日期：2009-5-21帶實驗的老師姓名：王力1引言1.1實驗?zāi)康?測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力。2根據(jù)吉布斯公式計算正丁醇溶液的表面吸附量。3掌握用最大氣泡法測定表面張力的原理和技術(shù)。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?？墒潜砻?/p>

2、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)部分子具有較大勢能，如欲使液體產(chǎn)生新的表面，就需要對其做功。在溫度、 壓力和組成恒定時，可逆地使表面積增加dA所需做的功為(1)N'dA比例系數(shù)表示在等溫等壓下形成單位表面所需的可逆功，其數(shù)值等于作用在界面上每單位長度邊緣的力，稱為表面張力。純物質(zhì)表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此純液體降低表面自由能的唯一途徑是盡可能縮小其表面積。對于溶液，由于溶質(zhì)使溶劑表面張力發(fā)生變化，因此可以調(diào)節(jié)溶質(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，表面層溶質(zhì)

3、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， 表面層溶質(zhì)的濃度比內(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),遵守吉布斯公式:c (dRT(dc)TP從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系（2）式中：r為表面吸附量（mol *m）； ?為表面張力（N *mJ）； c為溶質(zhì)的濃度31（mol *m ）； T為熱力學(xué)溫度（K）； R為氣體常數(shù)（8.314 JmolK ）。-值可正可負(fù)，正值為正吸附，負(fù)值為負(fù)吸附。顯然，-不僅能表明吸附的性質(zhì)，而且其值還能說明表面吸附的程度：-=0

4、表明無吸附現(xiàn)象；其值越遠(yuǎn)離0，表明吸附程度越大。溶于液體中使表面張力降低的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)，反之，稱為非表面活性物質(zhì)。在水溶液中，表面活性物質(zhì)有顯著的不對稱結(jié)構(gòu)，它是由極性（親水）部分和非極性（憎水） 部分構(gòu)成的。在水溶液表面，一般極性部分取向溶液內(nèi)部，而非極性部分則取向空氣部分。對于有機(jī)化合物來說，表面活性物質(zhì)的非極性部分為碳?xì)浠欢鴺O性部分一般為：- NH2, OH , SH , - COOH , - SO3 等。表面活性物質(zhì)分子在溶液表面的排列情況，隨其在溶液中的濃度不同而異。圖2-17-1表示分子在界面上的排列，在濃度極小的情況下，物質(zhì)分子平躺在溶液表面上如圖2-17-1（1）所示

5、，濃度逐漸增加時，分子的排列如圖2-17-1（ 2）所示。最后當(dāng)濃度增加至一定程度時，被吸附的分子占據(jù)了所有表面，形成飽和的吸附層，如圖2-17-1（ 3）所示。Mi MHMB圖2-17-2表|町抿力馬濃度的關(guān)系_ 二= rfTfc p F =-=K=二 U 二二1 Z-l,. J, 1 I, 1 ! l i- J” -H- E K 二立 蘋仝 二二二圖 2-1T-1 披吸Pfi的分子在界面上的排列如果作出一c的等溫曲線來，可以看出，在開始時隨c之增加而下降很快，而以后的變化比較緩慢。根據(jù)一c等溫曲線，可以用作圖法求出不同濃度的丨值（見圖2-17-2 ）。在 一c等溫曲線上取一點(diǎn) a,過a點(diǎn)做

6、曲線的切線以及平行于橫坐標(biāo)的直線分別交于d 丫Z縱坐標(biāo)軸于b、b'令bb = Z,則Z = -c（）Tp，帶入（2）式，=。從丫 c等溫曲deRT線上取不同的點(diǎn)，就可以得出不同的Z值，從而可以求出不同濃度的吸附量。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)。上式可以改寫為如下的形式:若以c/丨對c作圖，應(yīng)為一直線，其斜率的倒數(shù)即為:。本實驗采用最大氣泡法測定表面張力，裝置如圖2-17-3所示。IS 2-17-3測崔左而鞭力製置4毛細(xì)管的壓力訃 囂抽代瓶仁大述竹B2-17-4將待

7、測液體裝入大試管 4,將端口磨平的毛細(xì)管 1垂直安裝，使其端口恰好觸及液面， 若液體能潤濕毛細(xì)管壁，液面沿毛細(xì)管上升。打開抽氣瓶3的活塞抽氣，則毛細(xì)管內(nèi)液面上 受到一個比外邊液面較大的壓力，氣泡將自管口內(nèi)壁逐漸形成，見圖2-17-4。開始時形成的氣泡曲率半徑很大，隨后半徑逐漸變小，泡內(nèi)外的壓力差逐漸增加。當(dāng)形成的氣泡剛好是半 球形時半徑最小，泡內(nèi)外壓力差達(dá)到最大值。此后半徑又逐漸變大，壓力差逐漸下降，從而使氣流沖入氣泡內(nèi)最終將其吹離管口。在此過程中，最大壓力差：p可由“U形壓力計2上讀出。根據(jù) Yonug Lap lace方程人2=P(5)r即=丄：p(6)2其中r是氣泡恰呈半球形時的半徑，因

8、此是毛細(xì)管的內(nèi)半徑。若用同一支毛細(xì)管和壓力計，對兩種具有不同表面張力1和2的液體進(jìn)行測量，下列關(guān)系式成立：2 - h2V故有1- =h'h1(7)也h2式中的:h1、巾2為U型壓力計兩邊讀數(shù)之差，K值對同一支毛細(xì)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(biāo)準(zhǔn)求出常數(shù)K,便可用上式求其它液體的表面張力。本實驗需要測量氣泡脫離毛細(xì)管端口瞬間的壓力，這是一個動態(tài)過程，目視讀數(shù)比較困難。采用計算機(jī)聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)， 能夠快速記錄壓力變化數(shù)據(jù)， 通過壓力變化曲線觀察氣 泡形成過程。相比目視讀數(shù)，準(zhǔn)確性和可操作性大大提高。2實驗操作2.1實驗藥品、儀器型號表面張力測定裝置；1

9、000ml、500ml燒杯各1個；100ml容量瓶7個；50ml、25ml移 液管各1支；滴管1支；洗耳球1個0.4000mol?dm-3、0.5000 mol?dm-3 正丁醇水溶液。USB數(shù)據(jù)采集器、AD8201H接線表、LZ-P2微壓（差壓）計、CK-1 （ B）型溫度測量 控制儀實驗裝置圖如圖1所示。圖2-17-11表面張力測定聯(lián)楓程測義置圖1實驗裝置圖2.2實驗條件（實驗溫度、濕度、壓力等）室溫27.1 C，氣壓100.44kPa，水槽溫度：26.08C2.3實驗操作步驟及方法要點(diǎn)1. 溶液配制用容量瓶及所給正丁醇水溶液配制濃度分別為0.4、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02

10、5以及0mol?dm-3的正丁醇水溶液。2. 測定儀器常數(shù)裝置如圖2-17-11。調(diào)節(jié)三通閥使連接抽氣瓶a 口與連接數(shù)字式壓力計b 口導(dǎo)通。以下步驟同上。當(dāng)氣泡形成的速率調(diào)節(jié)好后開始采集數(shù)據(jù)。打開計算機(jī)，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序”調(diào)節(jié)三通閥使a、b、c 口都導(dǎo)通，點(diǎn)擊 開始”按鈕, 記錄基線2030秒。調(diào)節(jié)三通閥，使a、b導(dǎo)通，隨著壓力變化曲線逐漸升高，當(dāng)氣泡吹出，壓力曲線迅速降低，之后又逐漸升高，隨著下一氣泡吹出，壓力曲線又迅速降低。記錄67個峰，點(diǎn)擊 完成” 存盤”保存數(shù)據(jù)。S2-17-12 數(shù)聒采集卑面3測定正丁醇溶液的表面張力同樣方法，分別測定不同濃度（4數(shù)據(jù)處理0.0250.5 mol dm

11、-3）正丁醇溶液。打開數(shù)據(jù)處理程序，點(diǎn)擊表面張力”。按打開”按鈕，調(diào)出 壓力變化曲線”，移動光標(biāo)至 基線”點(diǎn)擊 壓力端點(diǎn)1”，移動光標(biāo)至峰頂，點(diǎn)擊：壓力端點(diǎn)2 “再移動光標(biāo)至”基線“點(diǎn)擊”壓力端點(diǎn)1 :移動光標(biāo)選擇另外一個峰的峰頂，點(diǎn)擊”壓力端點(diǎn)2 :重復(fù)三次。點(diǎn)擊提交，峰高數(shù)值（）即顯示在下面的數(shù)據(jù)欄內(nèi)。將所有曲線處理完成，填上相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊”數(shù)據(jù)處理,處理結(jié)果即可顯示在相關(guān)的數(shù)據(jù)欄內(nèi)。3結(jié)果與討論3.1原始實驗數(shù)據(jù)表1計算機(jī)數(shù)據(jù)處理給出的c與表面張力及吸附量 r的關(guān)系濃度 c(mol/L)表面張力( N/m)吸附量F ( mol/m 2)0.0250.067481.76007E-060.0

12、50.064772.64010E-060.10.058073.52013E-060.150.054723.96015E-060.20.051054.22416E-060.250.051534.40017E-060.30.046584.52589E-060.40.041964.69351E-060.50.043394.80018E-06由實驗原理可以知道，溶質(zhì)的濃度越大，則表面張力丫應(yīng)該越小，但由實驗結(jié)果可以看出，c=0.25mol/L和c=0.5mol/L兩個點(diǎn)的結(jié)果是異常的，由上述所有數(shù)據(jù)計算出的飽和吸附量r=-6.2019E-5 mol/m2,也是異常的。故在實驗數(shù)據(jù)的后續(xù)處理過程中剔除這

13、兩個點(diǎn)。另外， 其他組的同學(xué)同樣出現(xiàn)了這樣的情況，因而推測原因可能是因為實驗室所提供0.5000mol/L的正丁醇水溶液的濃度是不準(zhǔn)確的。表2剔除異常點(diǎn)后c與表面張力及吸附量r的關(guān)系濃度 c(mol/L)表面張力丫 ( N/m)吸附量F ( mol/m 2)0.0250.06748991.91484E-060.050.06477752.87225E-060.10.05807643.82967E-060.150.05472584.30838E-060.20.05105624.59561E-060.30.04658884.92386E-060.40.04196185.10623E-06dY另外，由

14、軟件處理得到的飽和吸附量r =5.7445E6 mol/m在0.025mol/L0.4mol/L之間，取8個點(diǎn)，根據(jù)Z = -c()T P由軟件處理得到8個z值, dc ，Co(mol/L)0.0250.071880.11880.16560.21250.25940.30620.3531Z (N/m) X020.47620.84241.00521.09721.15641.19761.22801.2513見下表。表3 軟件處理得到的Z值23.2計算的數(shù)據(jù)、結(jié)果1用表面張力對濃度C作圖，如圖2所示E N>召巽if-： J'ff'Z的濃度c/nnolLT圖2表面張力與正丁醇濃度的

15、關(guān)系2、利用計算機(jī)給出的 Z值，由r= Z/RT計算不同濃度溶液的r值，并計算出ci I值。計算結(jié)果如表4所示（其中溫度 T = 26.08C）表4不同濃度c下的r值及c/ I值c/mol/Lz/(N/m)r /( mol/ m2)c/ F /(m2 /L)0.0250.00476161.91398E-61.30618E40.0718750.00842433.38625E-62.12256E40.118750.01005224.04060E-62.93892E40.1656250.01097234.41045E-63.75529E40.21250.01156384.64821E-64.5716

16、6E40.2593750.01197614.81394E-65.38800E40.306250.01227994.93605E-66.20435E40.3531250.01251305.02975E-67.02073E43、作“ c/Tc”圖，由直線斜率求出Ro作出ci T c圖如圖3所示6000030000一0.0I10.1 0.20.4正腫的濃JiC/mol L '圖3正丁醇的c/ P c圖由圖可得到直線的斜率為1/ r= 1.74157 X105 m2/mol因而飽和吸附量 r«= 5.7419 XI0-6 mol/ m 23.3討論分析數(shù)據(jù)分析比較比較計算機(jī)處理結(jié)果和

17、自己處理的實驗結(jié)果如表5所示表5計算機(jī)處理結(jié)果與實驗處理結(jié)果比較比較項目計算機(jī)處理結(jié)果實驗處理結(jié)果誤差最大吸附量 r（mol/m）5.7445E-65.7419E-60.045%可以看出，計算機(jī)處理的結(jié)果和自己處理得到的實驗結(jié)果誤差很小，可以認(rèn)為實驗結(jié)果是準(zhǔn)確的。誤差分析本實驗中的誤差主要是有以下幾個原因造成的：1、毛細(xì)管要和液面垂直并且剛好接觸。由于實驗要測定的是最大的氣泡，故端口與液面相 切測得的實驗結(jié)果才是準(zhǔn)確的，但是由于這在實驗操作上很難實現(xiàn)，而且重復(fù)性差。2、 正丁醇溶液的濃度。從實驗數(shù)據(jù)的處理過程中可以看出，濃度c多次被使用，因而濃度 是否準(zhǔn)確對實驗結(jié)果的影響很大。3、抽氣瓶的滴水

18、速度。滴水速度直接影響出泡速度，過快或過慢都會對實驗結(jié)果有影響， 故在實驗一開始的時候調(diào)節(jié)好后就不再調(diào)節(jié)，以保證在整個實驗過程中出泡速度恒定。4結(jié)論由計算機(jī)處理得到的飽和吸附量r= 5.7445 W-6 mol/ m 2自己處理得到的飽和吸附量5.7419 XI0-6 mol/ m 2兩者的誤差為0.045%5參考文獻(xiàn)1朱文濤物理化學(xué)（上冊）北京：清華大學(xué)出版社，1995.135138。2清華大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)實驗編寫組.物理化學(xué)實驗北京：清華大學(xué)出版社,1991. 287296。3北京大學(xué)化學(xué)院物理化學(xué)實驗教學(xué)組.物理化學(xué)實驗北京：北京大學(xué)出版社,2002. 134136。1992. 161165。4復(fù)旦大學(xué)等.物理化學(xué)實驗北京：高等教育出版社,6實驗思考題1、要做好這個實驗的關(guān)鍵因素有哪些？答：1、儀器干凈以及樣品純凈，如果儀器不干凈或藥品被污染，則所配溶液的濃度 不準(zhǔn)確，這樣測得的