最大氣泡法測定液體的表面張力

最大氣泡法測定液體的表面力（一）、實驗?zāi)康?．掌握最大氣泡法測定液體的表面力的原理和方法。2．熟悉表面力的意義和性質(zhì)，測定不同濃度液體的表面力。3．熟悉表面吸附的性質(zhì)及與表面力的關(guān)系。（二）、實驗原理溶劑中加入溶質(zhì)后，溶劑的表面力要發(fā)生變化，加入表面活性物質(zhì)（能顯著降低溶劑表面力的物質(zhì)）則它們在表面層的濃度要大于在溶液部的濃度，加入非表面活性物質(zhì)則它們在表面層的濃度比溶液部低。這種表面濃度與溶液部濃度不同的現(xiàn)象叫溶液的吸附。顯然，在指定的溫度壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面力及溶液的濃度有關(guān)。從熱力學(xué)可知，它們之間的關(guān)系遵守吉布斯吸附等溫方程：（7—1）式中：r一為溶質(zhì)在單位面積表面層中的吸附量（molf-2）；o一為溶液的表面力（N^-2）；c—為溶液濃度（moLm-3）；；R—?dú)怏w常數(shù)，8.314J?mol-i?Kt；T—為絕對溫度（K）。當(dāng)（do/dc）<0時，r>0,即溶液的表面力隨著溶液濃度的增加而下降時，吸附量為正值，稱為正吸附，反之，當(dāng)（do/dc）>0時，r<0稱為負(fù)吸附。吉布斯吸附等溫方程式應(yīng)用圍很廣，但上述形式只適用于稀溶液。通過實驗測得不同濃度溶液的表面力o、o……12即可求得吸附量r。本實驗采用最大氣泡壓力法測定正丁醇水溶液的表面力值。試驗裝置如圖（7—1）所示。圖7—1表面力測定裝置1—樣品管2—毛細(xì)管3—壓瓶4—精密數(shù)字壓力計5—大氣平衡管6—活塞 圖7—2氣泡曲率半徑的變化規(guī)律將欲測表面力的溶液裝入樣品管中,使毛細(xì)管的端口與液面相切,液體即沿毛細(xì)管上升,打開減壓瓶3的活塞6,使里面的水慢慢的滴出,則系統(tǒng)的壓力慢慢減小,毛細(xì)管2液面上受到一個比樣品管中液面上大的壓力,此時毛細(xì)管液面就會下降,直到在毛細(xì)管端面形成一個穩(wěn)定的氣泡。開始時氣泡表面很平,曲率半徑很大,隨著氣泡的形成,曲率半徑逐漸變小,形成半球時,氣泡的曲率半徑與毛細(xì)管的半徑相等,曲率半徑達(dá)最小值（如圖7—2）。氣泡進(jìn)一步長大,曲率半徑又變大,直到氣泡從毛細(xì)管口脫出。曲率半徑最小時有最大的附加壓力,在壓力計上就有絕對值最大的讀數(shù)。此時氣泡的曲率半徑就是毛細(xì)管的半徑。可見毛細(xì)管口冒出氣泡所需要增加的壓力（AP）與液體的表面力o成正比。利用一拉普拉斯公式有：2oAP=pg?Ah=—mr式中：AP一曲率半徑最小時氣泡的最大附加壓力，單位為Pa；mAh一壓力計上絕對值最大的讀數(shù)，，單位為mmH2O；

P一水的密度；單位為kg，-1g—重力加速度；單位為m.s-2o—表面力；r—?dú)馀莸淖钚∏拾霃?，同時也是毛細(xì)管的半徑。r于是得到： o=-pg-Ah=KAh (7—2)式中K與毛細(xì)管的半徑有關(guān)，對同一支毛細(xì)管是常數(shù)，稱為儀器常數(shù)，可由已知表面力的液體求得，例如已知水在實驗溫度下的表面力o，測得最大壓力讀數(shù)AP，則K=o/Ap,o o o o求出該毛細(xì)管的K值，就可用它測定其他液體的表面力了。AP Ah(7—3)o =o (7—3)oAP oAh式中Ah,Ah為精密數(shù)字壓力計的最大讀數(shù)。o由實驗測得不同濃度時的表面力o，以濃度c為橫坐標(biāo)，o為縱坐標(biāo)，得o—c曲線圖7—3表面力及吸附等溫線圖7-4圖7—3表面力及吸附等溫線圖7-4Jcr關(guān)系圖續(xù)增大，溶液的表面力隨濃度的變化漸趨平緩。當(dāng)濃度增大到某一值后，溶液的表面力幾乎不隨濃度增加而改變。為了求得在不同濃度下的吸附量，可以利用圖解法令bb'=Z，則Z『也dc進(jìn)行計算。如圖7—3所示，在o~c曲線上取任意一點a,通過a點作曲線的切線ab和平行于橫軸的直線令bb'=Z，則Z『也dcdo_bb_Z = =- dc0-cc將上式代入(7—1)吉布斯吸附等溫方程，得到該濃度時的吸附量為：c(do) Z(7—4)I二(7—4)RTIdc)RTT以不同的濃度對其相應(yīng)的r作出曲線，r=f(c)稱為吸附等溫線，如圖7—3中曲線r~c所示。在一定的溫度下，吸附量與溶液濃度間的關(guān)系可用Langmuir吸附等溫式表示：ckc+1 cckc+1 c1r kr8 + rkr88(7—5)以c/r以c/r對c作圖，得一直線如圖7—4所示。該直線的斜率為1/r。8是溶液表面蓋滿一單分子層溶質(zhì)的量，其單位是mol.cm-2。設(shè)1cm-2r為飽和吸附量，8表面上被吸附的分子數(shù)為N,則有N=rN；N為阿伏伽德羅常數(shù)。由此可以計算出當(dāng)飽和吸附時，每個分子在8AA表面上所占據(jù)的面積，此面積亦可看作是分子的截面積：(7—6)1(7—6)nrA8若已知溶液的密度P，摩爾質(zhì)量M，就可以計算出吸附層厚度5。rM5二—— （7—7）P（三）、儀器藥品DP—4W表面力實驗儀、DP—A精密數(shù)字微壓計、電吹風(fēng)、小燒杯、量筒、滴管0.050；0.100；0.200；0.300；0.400；0.500；0.600m。1，-1正丁醇溶液（四）、實驗步驟1．儀器準(zhǔn)備和檢漏將表面力儀的各個玻璃儀器和毛細(xì)管先用洗液，再用自來水和蒸餾水洗滌，烘干后按圖7—1安裝好。將水注入減壓瓶中，然后用洗瓶將蒸餾水注入樣品管中，反復(fù)用滴管調(diào)節(jié)毛細(xì)管底端平面與液面的高度，使毛細(xì)管底端平面恰好與液面相切，并且樣品管與桌面垂直。打開微壓計4的電源，并將儀器的單位設(shè)置為“mmHO”，在裝置圖大氣平衡管5與大氣2相通的情況下，按下微壓計的“采零”鈕，使儀器示數(shù)為“0”。夾緊5處的膠管，在開啟活塞6，這時減壓瓶3中水面下降，使體系壓力降低（實際上等于對系統(tǒng)抽氣）。當(dāng)壓力計4有一定示數(shù)（至少為-30mmH2O以上）時，關(guān)閉活塞6,若兩三分鐘微壓計的示數(shù)不變，則說明體系不漏氣，可以進(jìn)行實驗。2．儀器常數(shù)的測定打開活塞6,對體系減壓,調(diào)節(jié)水流速度,使氣泡由毛細(xì)管底端成單泡逸出（每分鐘約20個氣泡）,記錄微壓計絕對值最大的讀數(shù)三次,取其平均值。再由附錄中查出實驗溫度下水的表面力O一則儀器常數(shù)K為：水OK=「 （7—8）Ah最大3．正丁醇溶液表面力的測定：將樣品管中的蒸餾水全部倒出,用待測液將樣品管及毛細(xì)管仔細(xì)洗滌3次,在樣品管中裝入待測溶液,用上述方法測定濃度為0.050、0.100、0.200、0.300、0.400、0.500、0.600molLt的正丁醇溶液的最大壓力差，每個樣品分別測定三次，取其平均值。（五）、數(shù)據(jù)處理處理1.數(shù)據(jù)記錄實驗溫度T=24.7℃ 水的表面力o=722X10-3N?m-i；水2.數(shù)據(jù)記錄及處理正丁醇C/mol.Lt0.0500.1000.2000.3000.4000.5000.600Ah的平均值/mmHO 2 36.031.427.225.624.223.121.6

表面力o/N?m-i0.06120.05340.04620.04240.04010.03850.0367do/dC-0.224-0.097-0.033-0.0160.010-0.006-0.004吸附量r/10-6mol?m-24.52310.39419.73425.3426.65227.05627.103c/r/109m-i(1)儀器常數(shù)ko/Ah=72,2x10-3N?m-1^40.8mmH0=0.0017水2(2)按照o=K-Ah=計算各濃度溶液的0列入上表中；(3)繪制o~c曲線(4)由圖1求各濃度溶液的do/dC列入上表中；，、一c(do) ,、，，(5)按照r=---I— 和c/r計算各濃度溶液的r和”「列入上表中；RTvdc)T( 6 )繪制c/r?c等溫線

c/r?c等溫線的線性方程為:m(斜率)=0.02381、=m=1/0.0238=_ 1Nr=6.02*1023義A8rM74.12義 0.8987義106（六）、思考題溶液的表面為何必須得調(diào)至與毛細(xì)管端口相切？否則對實驗有何影響？答：毛細(xì)管插入溶液中的深度直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，如果將毛細(xì)管末端插入溶液部，毛細(xì)管將會有有一段水柱，產(chǎn)生壓力，則測定管中的壓力Pr會變小，△Pmax會變大，測量結(jié)果偏大。為了減少靜壓力的影響，應(yīng)盡可能減少毛細(xì)管的插入和深度，使插入深度^卜接近0。氣泡逸出速度過快或不成單泡，對實驗有何影響？答：氣泡逸出速度過快或不成單泡，氣泡的形成與溢出速度而不穩(wěn)定，致使壓力計的讀數(shù)不穩(wěn)定，不易出觀察其最高點而起到較大的誤差，使表面力測定值偏高所以要求從毛細(xì)管中溢出的氣泡必須單泡溢出，有利于表