物化實(shí)驗(yàn)報(bào)告 溶液中的吸附作用和表面張力的測定

1、 最大氣泡壓力法測量溶液中的吸附作用和表面張力摘要：本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡法測量液體的表面張力。通過測量不同濃度下正丙醇的表面張力，計(jì)算吸附量，求出正丙醇分子的橫截面積。并探討了表面張力的性質(zhì)、表面吸附，加深對(duì)表面自由能的理解和表面活性劑的了解。關(guān)鍵詞：最大氣泡法表面張力吸附橫截面積0.引言在日常生活中，我們對(duì)見到的一些現(xiàn)象可能已經(jīng)習(xí)以為常，比如，下過雨后，我們可以見到樹葉、草上的小水珠都接近於球形；不小心打碎了體溫計(jì)后，里面的水銀掉到地上,小水銀滴也呈球形.其實(shí)這些現(xiàn)象都與表面張力有關(guān).液體與氣體相接觸時(shí)，會(huì)形成一個(gè)表面層，在這個(gè)表面層內(nèi)存在著的相互吸引力就是表面張力，它能使液面自動(dòng)收縮.表面張

2、力是由液體分子間很大的內(nèi)聚力引起的.處於液體表面層中的分子比液體內(nèi)部稀疏，所以它們受到指向液體內(nèi)部的力的作用，使得液體表面層猶如張緊的橡皮膜，有收縮趨勢(shì)，從而使液體盡可能地縮小它的表面面積.我們知道，球形是一定體積下具有最小的表面積的幾何形體.因此，在表面張力的作用下，液滴總是力圖保持球形，這就是我們常見的樹葉上的水滴按近球形的原因.表面張力與我們生活息息相關(guān)。1、實(shí)驗(yàn)部分1實(shí)驗(yàn)原理:圖13-1表面分子和內(nèi)部分子的不同情況物體表面的分子和內(nèi)部分子所處的境況不同，因而能量也不同，如圖111,表面層的分子受到向內(nèi)的拉力，所以液體表面都有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)。如要把一個(gè)分子由內(nèi)部遷移到表面，就需要對(duì)抗拉力

3、而作功，故表面分子的能量比內(nèi)部分子大。增加體系的表面，即增加了體系的總能量。體系產(chǎn)生新的表面（AA）所需耗費(fèi)功（W）的量，其大小應(yīng)與AA成正比。W=qAA（121）如果AA=1m2,則一W=6即在等溫下形成1m2新的表面所需的可逆功。故Q稱為單位表面的表面能，其單位為Nm-1。這樣就把Q看作為作用在界面上每單位長度邊緣上的力，通常稱為表面張力。它表示表面自動(dòng)縮小的趨勢(shì)的大小。表面張力是液體的重要特性之一，與所處的溫度、壓力、液體的組成共存的另一相的組成等有關(guān)。純液體的表面張力通常指該液體與飽和了其自身蒸氣的空氣共存的情況而言。2、在純液體情形下，表面層的組成與內(nèi)部的組成相同，因此液體降低體系表

4、面自由能的唯一途徑是盡可能縮小其表面積。對(duì)于溶液，由于溶質(zhì)會(huì)影響表面張力，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)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶液的表面張力時(shí)，表面層中溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部大，反之，溶質(zhì)使溶液的表面張力升高時(shí)，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低。這種表面濃度與溶液里面濃度不同的現(xiàn)象叫“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(guān)。Gibbs用熱力學(xué)的方法推導(dǎo)出它們間的關(guān)系式式中，rcRT（Qu、喬丿(122)氣一液界面上的吸附量（mol.m-2）；u溶液的表面張力（N.m-1）;T絕對(duì)溫度（K）；c溶液濃度（mol.m-3）；R氣體常數(shù)（8.

5、314J.mol-i.K-i）。QuQu當(dāng)u）0,稱為正吸附。反之，（牙）0時(shí)，r0,稱為負(fù)吸附。前者表QcTQcT明加入溶質(zhì)使液體表面張力下降，此類物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)，后者表明加入溶質(zhì)使液體表面張力升高，此類物質(zhì)叫非表面活性物質(zhì)。表面活性物質(zhì)具有顯著的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，它是由親水的極性部分和憎水的非極性部分構(gòu)成。對(duì)于有機(jī)化合物來說，表面活性物質(zhì)的極性部分一般為一NH3+,oh，SH，COOH,SO2OH。而非極性部分則為RCH2。正丁醇就是這樣的分子。在水溶液表面的表面活性物質(zhì)分子，其極性部分朝向溶液內(nèi)部，而非極性部分朝向空氣。表面活性物質(zhì)分子在溶液表面的排列情形隨其在溶液中的濃度不同而有所差異。

6、當(dāng)濃度極小時(shí)，溶質(zhì)分子平躺在溶液表面上，如(b)圖112（a），濃度逐漸增加，分子排列如圖112（b），最后當(dāng)濃度增加到一定程度時(shí)，被吸附了的表面活性物質(zhì)分子占據(jù)了所有表面形成了單分子的飽和吸附層如圖112（c）。正丁醇是一種表面活性物質(zhì)，其水溶液的表面張力和濃度關(guān)系見圖113中的uc曲線，在uc曲線上作不Qu同濃度c時(shí)的切線，把切線的斜率B（喬）T）代入Gibbs圖11-2不同濃度時(shí)，溶質(zhì)分子在溶液表面的排列情況吸附公式，可以求出不同濃度時(shí)氣一液界面上的吸附量r。在一定溫度下,吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir等溫方程式表示:(123)T為飽和吸附量，K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與溶質(zhì)的表面活性

7、大小有關(guān)。將（3）式化成直線方程,00則 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document CC1=+rrktcocoC若以不C作圖可得一直線，由直線斜率即可求出T。T00(124)假設(shè)在飽和吸附情況下，正丁醇分子在氣一液界面上鋪滿一單分子層，則可應(yīng)用下式求得正丁醇分子的橫截面積s0。1S=0rnco式中，N阿佛加德羅常數(shù)。3、最大氣泡壓力法測量表面張力的裝置示意圖如114。當(dāng)表面張力儀中的毛細(xì)管截面與欲測液面相齊時(shí)，液面沿毛細(xì)11圖11-3正丁醇水溶液的表面張力與濃度的關(guān)系圖管上升。打開滴液漏斗的活塞，使水緩慢下滴而使體系內(nèi)的壓力增加，這時(shí)毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到

8、一個(gè)比恒溫試管中液面上稍大的壓力，因此毛細(xì)管內(nèi)的液面緩緩下降。當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管口溶液的表面張力時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口逸出。這個(gè)最大的壓力差可由數(shù)字式1、恒溫套管。2、毛細(xì)管（r在0.150.2mm）3、數(shù)字式微壓差測量儀4、分液漏斗。5、塑料燒杯。6、連接橡皮管。圖11-4最大氣泡法測表面張力裝置如毛細(xì)管的半徑為r,氣泡由毛細(xì)管口逸出時(shí)受到向下的總作用力為冗r2P最大，而最大P=PP=Ahpg最大系統(tǒng)大氣壓式中，Ah-數(shù)字式微壓差測量儀上的讀數(shù)g-重力加速度p壓力計(jì)內(nèi)液體的密度氣泡在毛細(xì)管上受到表面張力引起的作用力為2兀r6氣泡自毛細(xì)管口逸出時(shí)，上述兩種力看作相等

9、，即:1111兀r2P=兀廠2Ahpg最大2Ahpgrc=若用同一只毛細(xì)管和壓力計(jì)，在同一溫度下，對(duì)兩種溶液而言，則得:cAhc=亠c=Ah=KAhcAh1Ah11222式中K為毛細(xì)管常數(shù)。用已知表面張力c2的液體為標(biāo)準(zhǔn)，從（7）式可求出其他液體的表面張力丐。1.2儀器與藥品:超級(jí)恒溫水浴1臺(tái)數(shù)字式微壓差測量儀1臺(tái)恒溫套管1支毛細(xì)管（半徑為0.150.2mm）1支100mL容量瓶7個(gè)2mL移液管1支250mL分液漏斗1個(gè)500mL塑料燒杯1個(gè)正丁醇（分析純）1.3、實(shí)驗(yàn)步驟：1、毛細(xì)管常數(shù)的測定：按實(shí)驗(yàn)裝置圖裝好儀器，打開恒溫水浴，使其溫度穩(wěn)定于25r。取一支浸泡在洗液中的毛細(xì)管依次次用自來水

10、、蒸餾水反復(fù)清洗若干次，同樣把玻璃套管也清洗干凈，加上蒸餾水，插上毛細(xì)管，用套管下端的開關(guān)調(diào)節(jié)液面恰好與毛細(xì)管端面相切，使樣品在其中恒溫10分鐘。在分液漏斗中加入適量的自來水，注意切勿使體系漏氣。然后調(diào)節(jié)分液漏斗下的活塞使水慢慢滴下，這時(shí)體系壓力逐漸減小，直至氣泡由毛細(xì)管口冒出，細(xì)心調(diào)節(jié)出泡速度，使之在5-10秒鐘內(nèi)出一個(gè)。注意氣泡爆破前數(shù)字式微壓差測量儀的讀數(shù)，并用電腦采集數(shù)據(jù)得到最大的壓差值，求平均值而得Ah。根據(jù)手冊(cè)查出25r時(shí)水的表面張力為Q=71.97X10-3N.m-i,以恥h=K求出所使用的毛細(xì)管常數(shù)，此值控制在8cm左右為宜,否則毛細(xì)管太粗誤差較大，毛細(xì)管太細(xì)，易堵塞，氣泡很難

11、逸出。2、不同濃度的正丁醇溶液表面張力的測定：用2mL移液管分別移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中，然后稀釋到刻度。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，按照由稀至濃的順序依次進(jìn)行測量。求得一系列濃度的正丁醇溶液的Ah。本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于溶液濃度的準(zhǔn)確性和所用毛細(xì)管、恒溫套管的清潔程度。因此除事先用熱的洗液清洗它們以外，每改變一次測量溶液必須用待測的溶液反復(fù)洗滌它們，以保證所測量的溶液表面張力與實(shí)際溶液的濃度相一致。并控制好出泡速度、平穩(wěn)地重復(fù)出現(xiàn)壓力差。而不允許氣泡一連串地出。洗滌毛細(xì)管時(shí)切勿碰破其尖端，影響測量。溫度對(duì)該

12、實(shí)驗(yàn)的測量影響也比較大，實(shí)驗(yàn)中請(qǐng)注意觀察恒溫水浴的溫度，溶液加入測量管后恒溫10min后再進(jìn)行讀數(shù)測量。1.4實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、測定用的毛細(xì)管一定要先洗干凈，否則氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定地通過，而使壓力計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定。2、毛細(xì)管一定要垂直，管口要和液面剛好接觸。3、表面張力和溫度有關(guān)，因此要等溶液恒溫后再測量。4、控制好出泡速度，讀取壓力計(jì)的壓力差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。2.結(jié)果討論與分析2.1結(jié)果根據(jù)手冊(cè)查出25C時(shí)水的表面張力為Q=71.97X10-3N.m-1,水的平均壓差為：P=582.5pa,用公式K=/P求出所使用的毛細(xì)管常數(shù)K=71.97X10-3/582.5=1.24E

13、-4.r=6.83E-5N/m，正丙醇的分子橫截面積為S0=2.434E-19m2.查閱文獻(xiàn)，直鏈醇的分子橫截面積為2.74E-192.89E-19，取平均值為2.82E-19。偏差為13.7%。2.2相關(guān)曲線的討論1）由。c圖可知，正丁醇溶液的表面張力。隨著其濃度的增加而逐漸降低，為正吸附，故正丁醇是一種表面活性物質(zhì)。當(dāng)正丁醇的濃度增大到一定值時(shí)，溶液的表面張力。的隨濃度的變化較小，此時(shí)有可能已經(jīng)形成了單分子層的飽和吸附層；2）由r-c圖可知，當(dāng)濃度較小時(shí)，隨著濃度的升高，吸附量逐漸增加。但濃度在0.15到0.2mol/l時(shí)表面吸附幾乎不變。當(dāng)濃度繼續(xù)升高時(shí)，吸附量繼續(xù)增加。分析原因，當(dāng)濃度

14、較低時(shí)，表面分子數(shù)目未達(dá)到飽和，曲線呈上升趨勢(shì)。當(dāng)達(dá)到飽和時(shí)，曲線幾乎水平，表面吸附不隨濃度升高而增大。但當(dāng)濃度繼續(xù)增大時(shí)，在溶液中，溶質(zhì)分子聚集成團(tuán)，憎水基朝內(nèi)，親水基朝外，會(huì)增大溶質(zhì)的溶解度，也會(huì)使表面吸附升高。2.3誤差分析本次試驗(yàn)測得的正丁醇分子的橫截面積與理論值偏差為13.7%，誤差較?。徽`差來源主要有：最大壓差A(yù)P值的測量誤差1）在每次改變測量溶液濃度之后，應(yīng)該用待測溶液反復(fù)清洗毛細(xì)管和恒溫套管，在實(shí)際操作中殘留是不可避免的，這樣使測量溶液的表面張力與實(shí)際溶液的濃度不一致，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差；2）實(shí)驗(yàn)要求毛細(xì)管底部與液面正好相切，并且毛細(xì)管完全的垂直，實(shí)際上這很難到達(dá)，而且實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)上也沒

15、有明確的方法使我們做到這兩點(diǎn)；3）由于毛細(xì)管管徑很小，當(dāng)正丁醇濃度增大時(shí)，體系粘度變大，管壁上容易吸附正丁醇分子，使得氣泡冒出很不規(guī)則，造成數(shù)據(jù)波動(dòng)很大；4）毛細(xì)管的粗細(xì)均勻程度及磨損程度都會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響；5）出泡速度會(huì)影響AP值的讀數(shù)，而出泡速度并不能精確控制使得每次的速度相同，若氣泡產(chǎn)生速率偏快，會(huì)使測定最大壓力差值偏大，過慢則會(huì)偏?。?）裝置氣密性不好，有些許漏氣會(huì)使測定最大壓力差值偏??；7）其它系統(tǒng)誤差，如恒溫槽溫度的小幅變動(dòng)。數(shù)據(jù)處理1）我們?cè)跀?shù)據(jù)處理的過程中使用了濃度而不是活度。只有在稀溶液情況下，濃度才近似等于活度，而實(shí)驗(yàn)溶液的正丁醇濃度并不是很稀的，導(dǎo)致計(jì)算的；2）。c曲線擬

16、合形式的不同會(huì)最終造成rc圖及c/rc圖與理論情況的偏差。3.小結(jié)本次實(shí)驗(yàn)我學(xué)到了關(guān)于溶液表面張力的相關(guān)知識(shí)，并了解了最大氣泡法的相關(guān)操作。雖然實(shí)驗(yàn)操作步驟簡單，但造成誤差的因素較多，操作時(shí)要格外仔細(xì)。另外，調(diào)節(jié)氣泡使其均勻冒出且速度適中是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，我在第一組測量中遇到了較大的麻煩，經(jīng)過助教老師的幫助，我也漸漸掌握了調(diào)氣泡的要領(lǐng)，即先把氣泡調(diào)出來，然后關(guān)閉活塞使其穩(wěn)定，中途大概估計(jì)出泡時(shí)的壓力，再緩緩打開活塞，一直微調(diào)到壓力數(shù)在一定區(qū)間穩(wěn)定波動(dòng)參考文獻(xiàn)崔獻(xiàn)英，柯燕雄,單紹純物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)M.中國科技大學(xué)出版社,2000:2932.Themaximumbubblepressuremethodo

17、fmeasuringadsorptionandsurfacetensioninthesolutionAbstract:Inthisstudy,themaximumbubblemethodtomeasurethesurfacetensionoftheliquid.Thecalculatedamountofadsorptionisobtainedbymeasuringthesurfacetensionofthedifferentconcentrationsofn-propanol,n-propanol,thecross-sectionalareaofthemolecule.Andexploreth

18、enatureofthesurfacetension,surfaceadsorption,andabetterunderstandingofthesurfacefreeenergyofunderstandingandasurfaceactiveagent.Keywords:maximumbubbleSurfacetensionAdsorptionCross-sectionalarea附件：數(shù)據(jù)處理（見下頁）數(shù)據(jù)處理、原始數(shù)據(jù)記錄用origin對(duì)壓力差數(shù)據(jù)作圖，以水為例。從圖上連續(xù)讀取10個(gè)峰值，得到下表Pa584582580578576574572PQuimber200040006000wat

19、er800005001000150020002500300035000.8正丙醇加入量ml示數(shù)1示數(shù)2示數(shù)3示數(shù)4示數(shù)5示數(shù)6示數(shù)7示數(shù)8示數(shù)9示數(shù)100582.8582.7582.1582.3582.8582.6582.3582.1582.8582.30.4504.5505.2505.1504.5504.8504.7505.4505504.75050.8456.5456.6456.7456.3456.8456.6456.7456.6456.5456.21.2412.3413.4413.1413.3413.2413.4413.8413.4414.2413.71.6384.8384.4384.8

20、384.1384.8384.9384.9384.8385.23852364.9363.9365.4365.2364.4364.7365364.5365.4364.52.4343.3343.3343.1343.5343.6344343.2343.7343.3343.32.8325.1325.5325.9327326.5326.2325.9325.7326326.6水的壓力差曲線加入0.8ml正丙醇的壓力差曲線根據(jù)手冊(cè)查出25C時(shí)水的表面張力為q=71.97X10-3Nm-i,水的平均壓差為：P=582.5pa,用公式K=6P求出所使用的毛細(xì)管常數(shù)K=71.97X10-3/582.5=1.24E-4.Q根據(jù)公式Q二天產(chǎn)人力二KAh計(jì)算出各個(gè)濃度下正丙醇的表面張力如下表：iAhi12正丙醇加入量ml正丙醇濃度mol/L平均壓力差表面張力N.m00582.50.07200.40.0437504.90.06260.80.0873456.60.05661.20.1311413.40.05131.60.1749384.80.047720.2186364.80.04522.40.2623343.40.04262.80.3063260.0404由表做出Q-C圖，并進(jìn)行多次方擬合，得到擬合結(jié)果如下：擬合直線表達(dá)式為：Y=0.07195-0