最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力

華南師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名甘漢麟學(xué)號(hào)20112401028專(zhuān)業(yè)化學(xué)(師范)年級(jí)、班級(jí)11化5課程名稱(chēng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)間2014年3月26日實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師肖信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?）掌握最大泡壓法測(cè)定表面張力的原理，了解影響表面張力測(cè)定的因素。2）了解彎曲液面下產(chǎn)生附加壓力的本質(zhì)，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等溫式，了解蘭格繆爾單分子層吸附公式的應(yīng)用。3）測(cè)定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計(jì)算飽和吸附量,由表面張力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求正丁醇分子的截面積及吸附層的厚度?！緦?shí)驗(yàn)原理】1)表面張力的產(chǎn)生在液體的內(nèi)部任何分子周?chē)奈κ瞧胶獾摹５谝后w表面層的分子卻不相同。如圖所示：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（如圖所示）。這種吸引力有使表面積最小的趨勢(shì)，要使液體表面積增大就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功以增加分子位能。所以分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這位能就是表面自由能。圖1.液體內(nèi)部和表面層分子受力情況通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的變化值ΔG稱(chēng)為單位表面的表面能，其單位為J·m-3。而把液體限制其表面增大以及力圖使它收縮的單位直線長(zhǎng)度上所作用的力，稱(chēng)為表面張力，其單位是N·m-1。液體單位表面的表面能和它的表面張力在數(shù)值上是相等的。在任何兩相界面處都存在表面張力。表面張力的方向是與界面相切，垂直作用于某一邊界，方向指向使表面積縮小的一側(cè)。液體的表面張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，表面張力愈小。到達(dá)臨界溫度時(shí)，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。液體的表面張力與液體的純度有關(guān)。在純凈的液體（溶劑）中如果摻進(jìn)雜質(zhì)（溶質(zhì)），表面張力就要發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的本性和加入量的多少。由于表面張力的存在，產(chǎn)生很多特殊界面現(xiàn)象。2)彎曲液面下的附加壓力由于表面張力的作用，彎曲表面下的液體或氣體與在平面下情況不同，前者受到附加的壓力。如果液面是水平的，則表面張力也是水平的，平衡時(shí)，沿周界的表面張力互相抵消，此時(shí)液體表面內(nèi)外壓力相等，且等于表面上的外壓力。若液面是彎曲的，平衡時(shí)表面張力將產(chǎn)生一合力，而使彎曲液面下的液體所受實(shí)際壓力與不同。當(dāng)液面為凸形時(shí)，合力指向液體內(nèi)部，液面下的液體受到的實(shí)際壓力為；當(dāng)液面為凹形時(shí)，合力指向液體外部，液面下的液體受到的實(shí)際壓力為。這一合力，即為彎曲表面受到的附加壓力，附加壓力的方向總是指向曲率中心。附加壓力與表面張力的關(guān)系用拉普拉斯方程表示：式中σ為表面張力，R為彎曲表面的曲率半徑，該公式是拉普拉斯方程的特殊式，適用于當(dāng)彎曲表面剛好為半球形的情況。3）毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象則是彎曲液面下具有附加壓力的直接結(jié)果。假設(shè)溶液在毛細(xì)管表面完全潤(rùn)濕，且液面為半球形，則由拉普拉斯方程以及毛細(xì)管中升高（或降低）的液柱高度所產(chǎn)生的壓力DP=rgh，通過(guò)測(cè)量液柱高度即可求出液體的表面張力。這就是毛細(xì)管上升法測(cè)定溶液表面張力的原理。此方法要求管壁能被液體完全潤(rùn)濕，且液面呈半球形。4）最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力實(shí)際上，最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力是毛細(xì)管上升法的一個(gè)逆過(guò)程。其裝置圖如（圖2）所示，將待測(cè)表面張力的液體裝于表面張力儀中，使毛細(xì)管的端面與液面相切，由于毛細(xì)現(xiàn)象液面即沿毛細(xì)管上升，打開(kāi)抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，系統(tǒng)減壓，毛細(xì)管內(nèi)液面上受到一個(gè)比表面張力儀瓶中液面上（即系統(tǒng)）大的壓力，當(dāng)此壓力差——附加壓力(Δp＝p大氣－p系統(tǒng))在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管口液體的表面張力時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口脫出，此附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關(guān)系式為拉普拉斯公式：如果毛細(xì)管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當(dāng)氣泡開(kāi)始形成時(shí)，表面幾乎是平的，這時(shí)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(shí)曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等，曲率半徑達(dá)最小值，根據(jù)上式這時(shí)附加圖2.最大氣泡壓力法測(cè)表面張力裝置壓力達(dá)最大值。氣泡進(jìn)一步長(zhǎng)大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。根據(jù)上式，R＝r時(shí)的最大附加壓力為：對(duì)于同一套表面張力儀，毛細(xì)管半徑r，測(cè)壓液體密度、重力加速度都為定值，因此為了數(shù)據(jù)處理方便，將上述因子放在一起，用儀器常數(shù)K來(lái)表示，上式簡(jiǎn)化為：式中的儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)得，通常用純水來(lái)標(biāo)定。5）溶液中的表面吸附在定溫下純液體的表面張力為定值，只能依靠縮小表面積來(lái)降低自身的能量。而對(duì)于溶液，既可以改變其表面張力，也可以減小其面積來(lái)降低溶液表面的能量。通常以降低溶液表面張力的方法來(lái)降低溶液表面的能量。當(dāng)加入某種溶質(zhì)形成溶液時(shí)，表面張力發(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。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，這種表面濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。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：式中，Г為溶質(zhì)在表層的吸附量；σ為表面張力；c為吸附達(dá)到平衡時(shí)溶質(zhì)在溶液中的濃度。當(dāng)界面上被吸附分子的濃度增大時(shí)，它的排列方式在改變著，最后，當(dāng)濃度足夠大時(shí)，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層。這樣的吸附層是單分子層，隨著表面活性物質(zhì)的分子在界面上愈益緊密排列，則此界面的表面張力也就逐漸減小。以表面張力對(duì)濃度作圖，可得到σ-c曲線。開(kāi)始時(shí)σ隨濃度增加而迅速下降，以后的變化比較緩慢。在σ-c曲線上任選一點(diǎn)a作切線，得到在該濃度點(diǎn)的斜率經(jīng)，代入吉布斯吸附等溫式，得到該濃度時(shí)的表面超量（吸附量），同理，可以得到其他濃度下對(duì)應(yīng)的表面吸附量，以不同的濃度對(duì)其相應(yīng)的Г可作出曲線，Г＝f（c)稱(chēng)為吸附等溫線。溶液中的表面吸附--被吸附分子截面積計(jì)算飽和吸附量：對(duì)于正丁醇的吸附等溫線，滿足隨濃度增加，吸附量開(kāi)始顯著增加，到一定濃度時(shí)，吸附量達(dá)到飽和，因此可以從吸附等溫線得到正丁醇的飽和吸附量。圖3.表面張力和濃度關(guān)系也可以假定正丁醇在水溶液表面滿足單分子層吸附。根據(jù)朗格謬爾(Langmuir)公式：為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時(shí)的Г，以c/Г對(duì)c作圖，得一直線，該直線的斜率為1/。被吸附分子的截面積：S0=1/(N)(N為阿佛加得羅常數(shù))。吸附層厚度：，溶質(zhì)的密度ρ，分子量M。【儀器與試劑】最大泡壓法表面張力儀1套；吸耳球1個(gè)；移液管(50mL，1支、1mL，1支)；燒杯(500mL，1只)；溫度計(jì)1支。正丁醇(A.R.)；蒸餾水?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1)儀器準(zhǔn)備與檢漏將表面張力儀容器和毛細(xì)管洗凈、烘干。在恒溫條件下將一定量蒸餾水注入表面張力儀中，調(diào)節(jié)液面，使毛細(xì)管口恰好與液面相切。打開(kāi)抽氣瓶活塞，使體系內(nèi)的壓力降低，當(dāng)U型管測(cè)壓計(jì)兩端液面出現(xiàn)一定高度差時(shí)，關(guān)閉抽氣瓶活塞，若2～3min內(nèi)，壓差計(jì)的壓差不變，則說(shuō)明體系不漏氣，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2）儀器常數(shù)的測(cè)量打開(kāi)抽氣瓶活塞，調(diào)節(jié)抽氣速度，使氣泡由毛細(xì)管尖端成單泡逸出，且每個(gè)氣泡形成的時(shí)間約為5～10s。當(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓差計(jì)顯示最大壓差時(shí)，記錄最大壓力差，連續(xù)讀取三次，取其平均值。再由手冊(cè)中，查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，水的表面張力σ水，則儀器常數(shù)3）表面張力隨溶液濃度變化的測(cè)定用移液管分別移取0.0500mL，0.150mL，0.300mL，0.600mL，0.900mL，1.50mL，2.50mL,3.50mL,4.50mL正丁醇，移入9個(gè)50mL的容量瓶，配制成一定濃度的正丁醇溶液。然后由稀到濃依次移取一定量的正丁醇溶液，按照步驟2所述，置于表面張力儀中測(cè)定某濃度下正丁醇溶液的表面張力。隨著正丁醇濃度的增加，測(cè)得的表面張力幾乎不再隨濃度發(fā)生變化?！緮?shù)據(jù)處理】實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：V正丁醇(mL)m正丁醇(g)c正丁醇(mol/L)h1(cm)h1’(cm)Δh1(cm)h2(cm)h2’(cm)Δh2(cm)h3(cm)h3’(cm)Δh3(cm)(cm)00010.33.37.010.33.37.010.33.37.07.00.05000.04050.010910.23.56.710.23.56.710.23.46.86.70.1500.1210.0328103.66.4103.66.4103.66.46.40.3000.2430.06569.83.95.99.83.95.99.83.95.95.90.6000.4860.1319.44.35.19.44.35.19.44.35.15.10.9000.7290.1979.24.54.79.24.54.79.24.54.74.71.501.210.3288.94.74.28.94.74.28.94.74.24.22.502.020.5468.55.23.38.55.23.38.55.23.33.33.502.830.7658.25.42.88.25.42.88.25.42.82.84.503.640.9838.15.62.58.15.52.68.15.62.52.5表1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1）計(jì)算儀器常數(shù)K和不同濃度正丁醇溶液的表面張力σ，繪制σ-c等溫線。在室溫為20℃時(shí)水的表面張力為72.75mN·m-1①計(jì)算儀器常數(shù)K：②根據(jù)計(jì)算不同濃度正丁醇溶液的表面張力c正丁醇(mol/L)(cm)σ(mN·m-1)07.072.750.01096.769.960.03286.466.500.06565.961.300.1315.152.990.1974.748.830.3284.243.640.5463.334.290.7652.829.090.9832.526.32表2.不同濃度正丁醇溶液的表面張力和濃度比對(duì)表③繪制σ-c等溫線圖4.σ-c等溫線求得根據(jù)吉布斯吸附等溫式，求出Г，c/Г。c正丁醇(mol/L)dσ/dc(mN·L·m-1·mol-1)Г(mol/m2)c/Г(m-1)0-15000.0109-1446.47×10-71.69×1070.0328-1341.81×10-61.81×1070.0656-1213.25×10-62.02×1070.131-975.24×10-62.50×1070.197-796.34×10-63.10×1070.328-516.87×10-64.77×1070.546-255.60×10-69.76×1070.765-123.83×10-62.00×1080.983-62.41×10-64.09×108表3.不同濃度正丁醇溶液的dσ/dc、Г和濃度比對(duì)表繪制Г-c，(c/Г)-c等溫線。求飽和吸附量Г∞，并計(jì)算正丁醇分子截面積S0和吸附單分子層厚度d。圖5.Г-c等溫線圖6.(c/Г)-c等溫線【結(jié)果討論】文獻(xiàn)值為S正丁醇=0.274-0.289nm2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比文獻(xiàn)值大。推測(cè)正丁醇分子間存在氫鍵，其相互結(jié)合的能力或與水層結(jié)合的能力比較強(qiáng)，因此容易形成雙分子層吸附以至于多分子層吸附，導(dǎo)致測(cè)得的吸附分子的截面積并非單分子的截面積，而是多分子層的截面積，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。本次實(shí)驗(yàn)所使用的水并非蒸餾水，而是自來(lái)水，自來(lái)水中的電解質(zhì)離子的濃度比蒸餾水高，導(dǎo)致表面張力增大，從而使最后所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。在本次實(shí)驗(yàn)中，幾個(gè)趨勢(shì)線圖的數(shù)據(jù)相關(guān)