溶液表面張力的測(cè)定及等溫吸附

專業(yè)：_化工____專業(yè)：_化工____姓名：_王小龍______學(xué)號(hào)：3060902052地點(diǎn)：紫金港化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心樓課程名稱：大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)P指導(dǎo)老師：_冷文華______成績：__________________實(shí)驗(yàn)名稱：溶液表面張力的測(cè)定及等溫吸附實(shí)驗(yàn)類型：________________同組學(xué)生姓名：__________實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、加深理解表面張力、表面吸附等基本概念以及表面張力和吸附的關(guān)系。2、掌握最大氣泡法測(cè)定溶液表面張力的原理和技術(shù)。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，最大氣泡法測(cè)定表面張力：當(dāng)表面張力儀中的毛細(xì)管尖端與待測(cè)液體相切時(shí)，液面即沿毛細(xì)管上升。打開滴液漏斗2的活塞，使水緩慢下滴而減小系統(tǒng)壓力，這樣毛細(xì)管內(nèi)液面上受到一個(gè)比試管中液面上大的壓力，當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管尖端產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管管口液體的表面張力時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口逸出，這一最大壓力差可由數(shù)字式微壓差測(cè)量儀測(cè)出：P最大=P大氣－P系統(tǒng)=P。毛細(xì)管內(nèi)氣體壓力必須高于大試管內(nèi)液面上壓力的附加壓力以克服氣泡的表面張力，此附加壓力P與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反比，其關(guān)系式為：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)氣泡剛開始形成時(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與毛細(xì)管內(nèi)半徑r相等，曲率半徑達(dá)到最小值，由上式可知此時(shí)附加壓力達(dá)最大值，氣泡進(jìn)一步長大，R變大附加壓力則變小，直到氣泡逸出。R=r時(shí)的最大附加壓力m，從此式得，當(dāng)使用同一根毛細(xì)管及相同的壓差計(jì)介質(zhì)時(shí)，對(duì)兩種具有表面張力為，的液體而言，正比于，且同溫度下有：，若液體2的為已知，則.式中：K為儀器常數(shù)，可用已知表面張力的液體2來測(cè)得，因此，求得1。本實(shí)驗(yàn)就是通過測(cè)定已知表面張力的水的2來求得不同濃度正丁醇溶液的表面張力。溶質(zhì)若能降低溶液的表面張力，則表面層中溶質(zhì)的濃度就比溶液內(nèi)部的大；反之，溶質(zhì)若使溶液的表面張力升高，則它的表面層中的濃度比在內(nèi)部的濃度小，這種表面濃度與溶液內(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的變化及溶液的濃度有關(guān)，在稀溶液中用熱力學(xué)方法可知它們間的關(guān)系遵循吉布斯吸附方程：式中：為表面吸附量，；為熱力學(xué)溫度，；c為溶液濃度QUOTE，當(dāng)(/C)T<0時(shí),>0,稱為正吸附；當(dāng)(/C)T>0時(shí),<0,稱為負(fù)吸附。在水溶液中，表面活性物質(zhì)具有兩親基團(tuán)，當(dāng)濃度達(dá)到某一值后，表面活性物質(zhì)在表面層的的吸附量為一定值，而與溶液濃度c無關(guān)，稱為飽和吸附，此時(shí)溶質(zhì)在表面層豎直排列，因而可由飽和吸附量求出溶質(zhì)分子的橫截面積。在=f(c)的曲線上用鏡象法作出不同濃度點(diǎn)的切線，并延長與縱坐標(biāo)相交，經(jīng)過切點(diǎn)作一平行于橫坐標(biāo)的直線與縱坐標(biāo)相交，若令此直線和切線在縱坐標(biāo)上所截之長度為Z，則Z=-C·(/C)T，則.用這種方法可算出與濃度對(duì)應(yīng)的值，將1、2…等對(duì)C作圖，就可得到吸附等溫線。若在溶液表面上的吸附是單分子層的吸附，則按Langmuir吸附等溫式：式中：為溶液單位表面上蓋滿單分子層溶液時(shí)的飽和吸附量；K為特性常數(shù)，它取決于吸附質(zhì)的吸附特性。把Langmuir吸附等溫式改寫成：以C/～C作圖，可得一直線，其斜率為1/，截距為1/（K），進(jìn)而可求得和K。設(shè)N代表單位溶液表面的分子數(shù)，如果溶質(zhì)是表面活性物質(zhì)，則得N＝L，L為阿佛加德羅常數(shù)，每個(gè)溶質(zhì)分子的在溶液表面上所占的截面積即為三、主要儀器設(shè)備儀器：表面張力測(cè)定裝置1套；精密恒溫水槽1套；數(shù)字式微壓差測(cè)量儀1臺(tái)；100mL容量瓶8個(gè)；50mL堿式滴定管1只試劑：正丁醇（AR）、去離子水。四、操作方法、實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象1.準(zhǔn)備試劑，0.5mol/L的正丁醇溶液。（實(shí)驗(yàn)前已完成）2．配制溶液，將0.5mol/L的正丁醇溶液在50ml容量瓶中稀釋成濃度分別為0.02mol/L、0.04mol/L、0.06mol/L、0.09mol/L、0.12mol/L、0.16mol/L、0.20mol/L、0.24mol/L的稀溶液。3.調(diào)節(jié)恒溫槽至30.004.儀器常數(shù)測(cè)定用洗液洗凈大試管及毛細(xì)管內(nèi)外壁,然后用去離子水洗之，再將適量去離子水裝于洗凈的大試管中，蓋好帶毛細(xì)管的標(biāo)準(zhǔn)磨口，防止漏氣，并使毛細(xì)管尖端剛好與液面接觸并保持垂直。讓大滴液試管中液體恒溫15分鐘，在滴液漏斗中裝入適量水，保持其上端活塞打開的情況下把數(shù)字式微壓差測(cè)量儀讀數(shù)置零，然后蓋上活塞。緩慢打開滴液漏斗旋塞，以使氣泡從毛細(xì)管尖端盡可能緩慢、均勻地鼓出，以20次/min左右的速率為宜。讀取并記錄p最大，連續(xù)讀10次，選取較理想的3次取其平均值。5.正丁醇溶液表面張力測(cè)定按照上述方法由稀到濃測(cè)定不同濃度正丁醇溶液的QUOTE。記錄數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理30℃時(shí)水的表面張力約為71.17大氣壓：102.72kPa室溫：23.5QUOTE表1.各組溶液QUOTE的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值C/mol/L0．000.020.040.060.090.120.160.200.24ΔPm/Pa5985365084824684454274063821、計(jì)算儀器常數(shù)：K=γ水/ΔPm（水）=71.17/598=1.190*10-42、求出各濃度正丁醇溶液的表面張力：C/mol/L0.020.040.060.090.120.160.200.24ΔPm/Pa536508482468445427406382張力/63.7860.4557.3655.6952.9650.8148.3145.463、作γ-c圖，作每一濃度下γ-c曲線的切線，求得相應(yīng)的Z值，對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合；所以其函數(shù)為γ=27.785*e(-c/0.192)+38.096由公式得：=144.71c*e(-c/0.192)C/mol/L0.020.040.060.090.120.160.200.24Z/2.6084.7006.3528.1509.29510.06310.2139.9504、由計(jì)算不同濃度下的ΓC/mol/L0.020.040.060.090.120.160.200.24Γ*106/mol/m21.0351.8652.5203.2343.6883.9924.0523.9485、作Γ-c曲線，得吉布斯吸附等溫線6、作c/Γ-c曲線，由直線斜率和截距求得Γ∞和K，得Langmuir等溫吸附式，并計(jì)算出溶質(zhì)分子的截面積q值C/mol/L0.020.040.060.090.120.160.200.24Γ*106/mol/m21.0351.8652.5203.2343.6883.9924.0523.948(c/Γ)*10-4/m-11.5332.1452.3812.7833.2544.0084.9366.079所以c/Γ=1.142+19.337*c故1/?！?10.337*104m1/（KΓ∞）=1.142*104?！?9.674*10-6mol*m-2K=9.052m3*molq=1/（L*Γ∞）=1.717*10-19查文獻(xiàn)得正丁醇分子截面積為2.2*10-19所以誤差E=|1.717-2.2|/2.2*100%=22.10%六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果：儀器常數(shù)K=1.190*10-4γ與c的關(guān)系為：γ=27.785*e(-c/0.192)+38.096c/Γ與c的關(guān)系為：c/Γ=1.142+19.337*c求得：Γ∞=9.674*10-6mol*m-2K=9.052m3*molq=1.717*10-19q的誤差為22.10%七、討論、心得注意事項(xiàng)：此次試驗(yàn)存在的誤差主要有：1.實(shí)驗(yàn)裝置的清洗不夠充分，尤其是毛細(xì)管的清洗。盡管實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的儀器都用洗液清洗，再用離子水清洗，但是毛細(xì)管中仍有可能還未洗凈，影響氣泡的鼓出，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度造成影響。2.恒溫槽不夠精確，盡管恒定溫度設(shè)定在25℃3.實(shí)驗(yàn)中所使用的毛細(xì)管由于長期使用的磨損，其尖端的平整性不夠理想。4.實(shí)驗(yàn)中配置不同濃度溶液所用的0.5mol/L的正丁醇水溶液由于放置時(shí)間過長，可能有正丁醇或者水的揮發(fā)以及正丁醇被氧化等現(xiàn)象存在，導(dǎo)致其真實(shí)濃度改變，造成系統(tǒng)誤差。5.配置不同濃度的待測(cè)液時(shí)，其間的移液、稀釋、定容、搖勻等環(huán)節(jié)因?yàn)榻?jīng)過多種容器，有可能在這些過程中造成試劑的污染，另一方面這些操作都不可避免的會(huì)因?yàn)閮x器和操作的原因產(chǎn)生系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。6.由于操作不夠熟練，故在測(cè)量每一組溶液的表面張力時(shí)，毛細(xì)管與液面的相對(duì)位置不能夠完全保持一致，有的相切得較好，有得伸入液面以下；在調(diào)節(jié)滴液漏斗來控制氣泡的鼓出速率時(shí)，也不能很好地保證每一次的速率時(shí)相等的；在每一次放置毛細(xì)管時(shí)并不能保證其完全意義上的垂直。以上三方面第一造成了實(shí)驗(yàn)內(nèi)各組數(shù)據(jù)之間的測(cè)量條件有變化，可對(duì)比性下降，精確度不夠；另一方面也使得某些組的數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確，或偏大或偏小。7.每一次更換不同濃度的溶液進(jìn)行測(cè)量時(shí)，毛細(xì)管可能會(huì)存在潤洗不充分而使得真實(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)并不是需要濃度溶液的數(shù)據(jù)。此次試驗(yàn)中需要注意以下幾個(gè)問題：1.實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)不能漏氣，接口等處應(yīng)用真空脂密封。。2.實(shí)驗(yàn)所測(cè)定的每一個(gè)濃度的溶液在進(jìn)行測(cè)量之前都必須進(jìn)行恒溫，使其與設(shè)定的測(cè)量溫度相等。3.測(cè)定時(shí)，待測(cè)液的濃度要按從稀到濃的順序來進(jìn)行。這是因?yàn)閺南〉綕鈦頊y(cè)定，即使測(cè)定的時(shí)候有上一濃度的溶液殘留，影響也不會(huì)太大。以0.02mol/L和0.04mol/L的溶液為例，如果假定一滴溶液的體積為0.05mL，張力儀內(nèi)的溶液體積為5mL，則0.04mol/L的溶液內(nèi)混入1滴0.02mol/L的溶液后，其濃度為0.0398mol/L，改變量為0.496%；如果是0.02mol/L的溶液內(nèi)混入1滴0.04mol/L的溶液后，其濃度為0.0202mol/L，改變量為0.990%，其影響近乎為0.04mol/L的溶液內(nèi)混入1滴0.02mol/L的溶液后濃度改變的兩倍，因此測(cè)量時(shí)按照由稀到濃的順序測(cè)量可大大減小誤差。4.測(cè)定時(shí)表面張力計(jì)一定要清潔，特別是毛細(xì)管一定要干凈，測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量保持垂直，毛細(xì)管尖端和頁面相切，使氣泡能夠連續(xù)逸出。思考題：1.毛細(xì)管尖端為何要?jiǎng)偤媒佑|液面？答：如果毛細(xì)管尖端插入液下，會(huì)造成壓力不只是液體表面的張力，還有插入部分液體的壓力。2.為何毛細(xì)管的尖端要平整？選擇毛細(xì)管直徑大小時(shí)應(yīng)該注意什么？答：實(shí)驗(yàn)中默認(rèn)鼓出的氣泡為半球形，其曲率半徑R和毛細(xì)管的半徑r相等時(shí)達(dá)到最小值，而附加壓力達(dá)到最大值，以此測(cè)出液體的表面長力。如果毛細(xì)管尖端不平整，就不能得到半球形氣泡。選擇毛細(xì)管時(shí)，其直徑不宜太大，因?yàn)槊?xì)管半徑較小的時(shí)候才能保證其形成的氣泡基本上是球星的。3.如果氣泡出的很快對(duì)結(jié)果有何影響？答：氣泡出的很快會(huì)使氣泡不能一個(gè)一個(gè)鼓出而幾個(gè)氣泡聚集在一起，使得數(shù)