實(shí)驗(yàn)23 最大泡壓法測定溶液的表面張力

最大泡壓法測定溶液的表面張力1.目的要求1-1了解表面張力的性質(zhì)，表面、表面自由能的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系。1-2掌握用最大氣泡壓法測定表面張力的原理和技術(shù)。1-3測定不同濃度正丁醇/水溶液的表面張力，計(jì)算表面吸附量和正丁醇分子的橫截面積。2.原理1．表面張力和表面吸附液體表面層的分子一方面受到液體內(nèi)層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，由于前者的作用要比后者大，因此在液體表面層中，每個(gè)分子都受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡力，如圖1所示，這種吸引力使表面上的分子自發(fā)向內(nèi)擠促成液體的最小面積，因此，液體表面縮小是一個(gè)自發(fā)過程。在溫度、壓力、組成恒定時(shí)，每增加單位表面積，體系的吉布斯自由能的增值稱為表面吉布斯自由能（J·m-2），用γ表示。也可以看作是垂直作用在單位長度相界面上的力，即表面張力（N·m-1）。欲使液體產(chǎn)生新的表面ΔS，就需對(duì)其做表面功，其大小應(yīng)與ΔS成正比，系數(shù)為即為表面張力γ：－W=γ×ΔS(1)圖1液體表面與分子內(nèi)部受力情況圖在定溫下純液體的表面張力為定值，當(dāng)加入溶質(zhì)形成溶液時(shí)，分子間的作用力發(fā)生變化，表面張力也發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的性質(zhì)和加入量的多少。水溶液表面張力與其組成的關(guān)系大致有以下三種情況：（1）隨溶質(zhì)濃度增加表面張力略有升高；（2）隨溶質(zhì)濃度增加表面張力降低，并在開始時(shí)降得快些；（3）溶質(zhì)濃度低時(shí)表面張力就急劇下降，于某一濃度后表面張力幾乎不再改變。以上三種情況溶質(zhì)在表面層的濃度與體相中的濃度都不相同，這種現(xiàn)象稱為溶液表面吸附。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時(shí)，表面層中溶質(zhì)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(shí)，它在表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低。在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度之間的關(guān)系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：Γ=（2）式中，Г為溶質(zhì)在表層的吸附量，單位mol·m2，γ為表面張力，c溶質(zhì)的濃度。若＜0，則Γ＞0，此時(shí)表面層溶質(zhì)濃度大于本體溶液，稱為正吸附。引起溶劑表面張力顯著降低的物質(zhì)叫表面活性劑。若＞0，則Γ＜0，此時(shí)表面層溶質(zhì)濃度小于本體溶液，稱為負(fù)吸附。通過實(shí)驗(yàn)測得表面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系，作出γ－c曲線，并在此曲線上任取若干點(diǎn)作曲線的切線，這些切線的斜率就是與其相應(yīng)濃度的，將此值代入（2）式便可求出在此濃度時(shí)的溶質(zhì)吸附量Γ。吉布斯吸附等溫式應(yīng)用范圍很廣，但上述形式僅適用于稀溶液。2．最大泡壓法測表面張力原理測定溶液的表面張力有多種方法，較為常用的有最大泡壓法其測量方法基本原理可參見圖2。圖2最大拋壓法測液體表面張力裝置圖中B是管端為毛細(xì)管的玻璃管，與液面相切。毛細(xì)管中大氣壓為p0。試管A中氣壓為p，當(dāng)打開活塞E時(shí)，C中的水流出，體系壓力p逐漸減小，逐漸把毛細(xì)管液面壓至管口，形成氣泡。在形成氣泡的過程中，液面半徑經(jīng)歷：大→小→大，即中間有一極小值rmin＝r毛，此時(shí)氣泡的曲率半徑最小，根據(jù)拉普拉斯公式，氣泡承受的壓力差也最大：（5）此壓力差可由壓力計(jì)D讀出，故待測液的表面張力為：（6）若用同一支毛細(xì)管測兩種不同液體，其表面張力分別為γ1、γ2，壓力計(jì)測得壓力差分別為Δp1、Δp2則：(7)若其中一種液體的γ1已知，例如水，則另一種液體的表面張力可由上式求得。即：(8)式中：（9）稱為儀器常數(shù)，可用某種已知表面張力的液體（常用蒸餾水）測得。3.儀器和試劑表面張力測定裝置一套 DP－A精密數(shù)字壓力計(jì)蒸餾水H2O洗耳球，滴管，1000mL燒杯，100mL小燒杯 0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7moldm-3正丁醇水溶液 4.實(shí)驗(yàn)操作步驟4-1開啟DP－A精密數(shù)字壓力計(jì)的電源開關(guān)，預(yù)熱5min。減壓瓶內(nèi)注入水，開啟減壓瓶上方的旋塞使系統(tǒng)與大氣相通，按DP－A精密數(shù)字壓力計(jì)的“采零”鍵，使讀數(shù)為零，然后再將減壓瓶上方的旋塞關(guān)閉。4-2測定管中注入蒸餾水，使管內(nèi)液面剛好與毛細(xì)管口相接觸，慢慢打開抽氣瓶活塞排水，當(dāng)氣泡形成的速度保持穩(wěn)定時(shí)，記錄最大的壓強(qiáng)差，重復(fù)測量3遍，記錄。4-3同上法，測量0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7mol·dm-3正丁醇水溶液。4-4實(shí)驗(yàn)結(jié)束，徹底洗凈測定管，注入蒸餾水到和毛細(xì)管相切位置。關(guān)閉儀器的電源。整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)面。5.原始數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)溫度25.0濃度/moldm-3水0.050.10.20.30.40.50.7Δp1/kPaΔp2/kPaΔp3/kPaΔp平均/kPaσ/10-3N.m-171.976.數(shù)據(jù)處理最大泡壓法測定溶液的表面張力實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)時(shí)間室溫℃大氣壓Pa溶液濃度0.000.050.100.200.300.400.500.70Pmax1-0.51-0.43-0.36-0.28-0.25-0.21-0.19-0.13Pmax2-0.49-0.42-0.35-0.27-0.24-0.20-0.18-0.14Pmax3-0.48-0.41-0.34-0.26-0.23-0.19-0.17-0.13Δpmax-0.49-0.42-0.35-0.27-0.24-0.20-0.18-0.13σ*1E3/Nm-17261.351.139.435.029.226.319.5Lnc-2.996-2.303-1.609-1.204-0.916-0.693-0.357σ/Nm-10.0720.06130.05110.03940.03500.02920.02630.0195直線斜率-0.0640吸附量/molm-22.58E-05