精選表面張力的測定

1、PAGE PAGE 7大學化學實驗 = 2 * ROMAN II實驗報告物理化學實驗 學院：化學與化工學院 專業(yè)： 班級： 姓名實驗日期實驗時間學號指導教師實驗工程名稱外表張力的測定實驗目的掌握最大泡壓法測定液體外表的方法，了解外表張力測定的因素。測定不同濃度正丁醇溶液的外表張力，計算吸附量，并由外表張力的實驗數(shù)據(jù)求分子的外表積。實驗原理 外表張力是液體的重要性質之一，它是因外表層分子受力不均衡所引起的。如液體與其蒸氣構成的系統(tǒng)：液體內(nèi)部的分子與周圍分子間的作用力是球形對稱的，可以彼此抵消，合力為零，而外表層分子處于力場不對稱的環(huán)境中，液體內(nèi)局部子對它的作用力遠大于液面上蒸氣分子對它的作用力，

2、從而使它受到指向液體內(nèi)部的拉力作用，故液體都有自動縮小外表積的趨勢。從熱力學觀點來看，液體外表縮小是使系統(tǒng)總吉布斯函數(shù)減小的一個自發(fā)過程，如欲使液體產(chǎn)生新的外表A，就需對其做功，其大小應與A成正比： G =W= A 1 比例系數(shù)從能量的角度被稱為比外表吉布斯函數(shù)，即為恒溫恒壓下形成1m2新外表所需的可逆功，其單位為Jm-2。從物理學力的角度看，可被理解為沿著外表、和外表相切、垂直作用于單位長度相界面線段上的外表緊縮力，即外表張力，其單位是Nm-1。在定溫下純液體的外表張力為定值，當參加溶質形成溶液時，外表張力發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質的性質和參加量的多少。根據(jù)能量最低原理，溶質能降低溶劑

3、的外表張力時，外表層中溶質的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質使溶劑的外表張力升高時，它在外表層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低，這種外表濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的外表吸附。在指定的溫度和壓力下，溶質的吸附量與溶液的外表張力及溶液的濃度之間的關系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程： 2式中，為溶質在外表層的吸附量；為外表張力；c為吸附到達平衡時溶質的濃度。 引起溶劑外表張力顯著降低的物質叫外表活性物質，0，即產(chǎn)生正吸附的物質；反之稱為外表惰性物質，0，即產(chǎn)生負吸附的物質。被吸附的外表活性物質分子在界面層中的排列，決定于它在液層中的濃度，這可由圖1看出。 圖1 被吸附的分子在界面上的排列圖1中(1)和(

4、2)是不飽和層中分子的排列，(3)是飽和層分子的排列。 圖2 外表張力和濃度關系圖 當界面上被吸附分子的濃度增大時，它的排列方式在不斷改變，最后，當濃度足夠大時，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層，分子排列方式如圖1中(3)所示。這樣的吸附層是單分子層，隨著外表活性物質的分子在界面上愈益緊密排列，那么此界面的外表張力也就逐漸減小。如果在恒溫下繪成曲線=f(c)(外表張力等溫線)，當c增加時，在開始時顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來，以至的變化很小，這時的數(shù)值恒定為某一常數(shù)(見圖2)。利用此圖求出其在一定濃度時曲線的切線斜率，代入吉布斯吸附方程就可求得外表吸附量?；蛘咴谇€上某一濃度c

5、點作切線與縱坐標交于b點，再從切點a作平行于橫坐標的直線，交縱坐標于b點，以Z表示切線和平行線在縱坐標上截距間的距離，故有： 3根據(jù)朗格繆爾(Langmuir)公式：單分子層吸附 4其中 為飽和吸附量，即外表被吸附物鋪滿一層分子時的吸附量，整理可得： 5 以 c/ 對 c 作圖，得一直線，該直線的斜率為1/，即可求得飽和吸附量。由所求得的 代入： 6可求被吸附分子的截面積(L為阿佛加得羅常數(shù))。 假設溶質的密度，分子量M，就可計算出吸附層厚度 ： 7而測定溶液的外表張力有多種方法，如毛細管上升法、滴重法、拉環(huán)法等，而以最大氣泡法壓力法泡壓法較方便，應用較多。先來考察一下氣泡的形成過程：將待測外

6、表張力的液體裝于測定管中，使毛細管的端面與液面相切，液面即沿毛細管突然上升，緩緩翻開減壓瓶的下端活塞，毛細管內(nèi)液面上受到一個比減壓瓶中液面上大的壓力，當此壓力差附加壓力(p=p大氣- p系統(tǒng))在毛細管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細管口液體的外表張力時，氣泡就從毛細管口脫出。 如果毛細管半徑很小，那么形成的氣泡根本上是球形的。當氣泡開始形成時，外表幾乎是平的，這時曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時曲率半徑R和毛細管半徑r相等，曲率半徑達最小值，根據(jù)下式這時附加壓力達最大值。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力那么變小，直到氣泡逸出。附加壓力與外表張力成正比，與氣泡的曲

7、率半徑成反比，遵循拉普拉斯公式： 8 式中， p為附加壓力；為外表張力；R為氣泡的曲率半徑。 實際測量時，使毛細管端剛好與液面接觸，那么可忽略氣泡鼓泡所需克服的靜壓力，這樣就可直接用上式進行計算。在實驗中，如果使用同一支毛細管和壓力計，那么可以用外表張力的液體為標準如蒸餾水，分別測定標準物和待測物的最大附加壓力，通過比照計算求未知液體的外表張力，其中水/ p水那么被稱為儀器常數(shù)： 9根據(jù)此法所測得的外表張力，使用上面介紹的方法就可以求出所測物質在溶液中的飽和吸附量、被吸附分子的截面積和吸附層厚度。實驗儀器和試劑儀器：外表張力力管一支；外表張力教學實驗儀DMPY-2C一臺；鼓泡毛細管一支；滴液漏

8、斗一個；10ml移液管一個；5ml刻度移液管一支；250m容量瓶一個，50ml容量瓶9個；50ml簡式滴定管一支；洗耳球一個；恒溫水浴一套。試劑：正丁醇AR；酸洗液；蒸餾水。實驗步驟酸洗液清洗毛細管和玻璃儀器，按要求連接好裝置的氣密性。并記錄一次實驗室溫度計大氣。翻開外表張力教學實驗儀電源開關，預熱10分鐘。將外表張力教學實驗儀與大氣相連，待儀器數(shù)值穩(wěn)定后，清零。用水做標準物質，測定儀器室溫下的常數(shù)K。在外表張力管中注入適量的蒸餾水，調節(jié)液面，時毛細管下端面恰好與液面相切，按實驗要求將實驗儀器連接好，并在滴管漏斗中參加約三分之二體積的自來水。調節(jié)滴液漏斗的旋塞，使氣泡進毛細管緩慢均勻的向液面鼓

9、出，鼓泡速度控制在5020個每分鐘，且氣泡一個接一個的間斷鼓出。這時，讀取外表張力教學儀所顯示的數(shù)據(jù)最大值P最大。按要求配置一系列濃的的正丁醇水溶液，其濃度分別為0.02mol/l、0.04mol/l、0.06mol/l、0.08mol/l、0.10mol/l、0.12mol/l、0.16mol/l、0.20mol/l、0.24mol/l。待測正丁醇溶液外表張力的測定。用少量待測溶液潤洗支管試管及毛細管。將上述4中的蒸餾水依次換成不同濃度正丁醇水溶液，按濃度由稀到濃的順序重復步驟四的操作。實驗結束后分別用 和蒸餾水仔細將毛細管和外表張力管沖洗23次，并放回原處。再將毛細管洗液浸泡。在記錄一次實

10、驗室溫度，并于第一次記錄的實驗室溫度結合，取平均值，作為試驗溫度。 實驗考前須知1測定系統(tǒng)不能漏氣，減壓管上端通大氣活塞一定要關緊，不能漏氣。2所用毛細管必須干凈，不能堵，應保持垂直，其管口剛好與液面相切。3減壓管中液體流動速度要好好調，不要太快。4讀取壓力計的壓差時，應取氣泡單個逸出時的最大壓力差。實驗原始數(shù)據(jù)記錄開始： 溫度=17.8 大氣壓=88.95kpa結束：溫度=17.8 大氣壓=88.79kpa水的 P最大 =622kpa不同濃度正丁醇水溶液極其P最大濃度mol/l0.020.040.060.080.100.120.160.200.24P最大 (kpa)5985535364994

11、75467425409391實驗數(shù)據(jù)處理平均溫度=17.8 平均大氣壓=88.87kpa外表張力濃度關系曲線由上圖可計算的個點的，結合溫度制的下列圖正丁醇溶液吉布斯吸附等溫線：再以c/對c作圖得知該直線的斜率為0.013107，那么根據(jù)1/=1.3105 1/K=0.811107所以 正丁醇飽和吸附量=1/1.3105=7.69210-6molm-2問題討論及誤差分析問題討論：1、在毛細管升高法中，影響實驗結果的因素有哪些？答：毛細管及試管的潔凈程度；毛細管的內(nèi)徑大小內(nèi)徑小，測量的高度誤差??；毛細管粗細是否均勻；毛細管內(nèi)半徑的測量是否準確； = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 測量

12、時，毛細管是否垂直液面。2、在用滴重法測水溶液的外表張力是，需要注意些什么？答：毛細管中不宜加過多的水，應該使毛細管球體中的液面稍高于毛細管的最高處，從而使水從毛細管末端慢慢滴下；在搜集水滴的時候，保持動作輕快，既要完整地搜集到每一滴水，又不能使裝置震動；稱量時，應在稱量瓶上蓋上瓶蓋，減少水的蒸發(fā)，使實驗結果更加準確；測量毛細管外徑時要正確使用游標卡尺，正確讀數(shù)。3、毛細管插入深度對實驗是否有影響？為什么？答：一般來說，是沒影響的。但在另一種情況下，毛細管插入深度對實驗有影響，對于本實驗，毛細管的長度是有限的，隨著毛細管插入深度的增加，露在溶液外部的毛細管長度減少，倘假設外部的毛細管長度低于正常測量時液柱的高度，相應的，毛細管內(nèi)的液柱也會下降，測得的高度也就減少。因為毛細管中的的液柱是不會流出毛細管的。也就是物理上所說的毛細永動機不可能存在。誤差分析：假設是以滴重法為標準數(shù)據(jù)，可以看出毛細管升高法的實驗誤差更大，這是毛細管升高法的方法誤差和讀書時的偶然誤差一起的。1毛細管放置是否豎直及干凈程度對實驗會帶來誤差。2讀數(shù)誤差大，包括測量液柱高度時用的是一般的直尺，精度僅為小數(shù)點后一位，估讀一位；測量毛細管內(nèi)徑時讀數(shù)顯微鏡，經(jīng)屢次調節(jié)，視野中物象仍舊模糊，溶液與管壁界面不清晰，讀數(shù)誤差大。3.在實驗