测溶液表面张力

最大泡压法测定溶液的表面张力一、实验目的1、测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和溶质分子的横截面积；2、了解表面张力的性质，比表面吉布斯函数的意义以及表面张力和吸附的关系；3、掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术。二、实验原理1．比表面吉布斯函数从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的比表面吉布斯函数减小的过程。如欲使液体产生新的表面△A，则需要对其做功。功的大小应与△A成正比：式中σ为液体的比表面吉布斯函数，亦称表面张力。它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值与液体的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关。2．溶液的表面吸附纯物质表面层的组成与内部的组成相同，因此纯液体降低比表面吉布斯函数的惟一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液，由于溶质能使溶剂表面张力发生变化，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低比表面吉布斯函数。根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，表面层中的浓度比内部的浓度低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。显然，在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度有关，从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：式中：Г为表面吸附量(单位：mol·m-2)；T为热力学温度(单位：K)；C为稀溶液浓度(单位：mol．L—1)；R为气体常数。若Cddco，P0，称为正吸附；若Tddco，则P0，称为负吸附。本实验研究正吸附情况。有一类物质，溶入溶剂后，能使溶剂的表面张力降低，这类物质被称为表面活性物质。表面活性物质具有显著的不对称结构，它们是由亲水的极性基团和憎水的非极性基团构成的。对于有机化合物来说，表面活性物质的极性部分一般为-NH+3，-OH，-SH，-COOH，-SO2OH等。乙醇就属这样的化合物。它们在水溶液表面排列的情况随其浓度不同而异。如图A所示，浓度很小时，分子可以平躺在表面上；浓度增大时，分子的极性基团取向溶液内部，而非极性基团基本上取向空间；当浓度增至一定程度，溶质分子占据了所有表面，就形成饱和吸附层。以表面张力对浓度作图，可得到σ-c曲线，如图B所示。从图中可以看出，在开始时σ随浓度增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢。在σ-c曲线上任选一点i作切线，即可得该点所对应浓度Ci的斜率(dσ/dci)，再由Gibbs吸附方程式，可求得不同浓度下的T值。3．饱和吸附与溶质分子的横截面积吸附量Γ与浓度C之间的关系，可用郎格茂(Langmuir)吸附等温式表示：式中Г∞为饱和吸附量；K为常数。将上式取倒数可得：作cc图，直线斜率的倒数即为Г∞。如果以N代表1m2表面上溶质的分子数，则有：NL式中L为阿伏加德罗常数，由此可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积：12SL因此，若测得不同浓度的溶液的表面张力，从σ-c曲线上求出不同浓度的吸附量P，再从P-c直线上求出T∞，便可计算出溶质分子的横截面积S。4．最大气泡法测定表面张力测定表面张力的方法很多。本实验用最大气泡法测定乙醇水溶液的表面张力，其实验装置和原理如图C所示。将被测液体装于测定管中，使玻璃管下端毛细管端面与液面正好相切，液面沿毛细管上升。打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气，则测定管中的压力户逐渐减小，毛细管中压力p0就会将管中液面压至管口，并形成气泡，其曲率半径由大而小，直至恰好等于毛细管半径r，根据拉普拉斯(Laplace)公式，这时能承受的压力差也最大：随后大气压力将把此气泡压出管口，曲率半径再次增大，因此气泡表面膜所能承受的压力差必然减少，实际上测定管中的压力差却在进一步加大，所以立即导致气泡的破裂。最大压力差可通过数字压力计测得。用同一根毛细管分别测定具有不同表面张力的溶液时，可得下列关系σ1=r/2ΔP1σ2=r/2ΔP2σ1=KΔP三、仪器与试剂仪器：表面张力测定装置1套，恒温水浴1套，阿贝折射仪1台，洗耳球1个，200mL烧杯1只试剂：乙醇(分析纯)四、实验内容1、配制溶液用称重法粗略配制5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％的乙醇水溶液待用。2、测定仪器常数调节恒温槽温度为25℃。将仪器认真洗涤干净，在测定管中注入蒸馏水，使管内液面刚好与毛细管口相接触，置于恒温水浴内恒温10min。注意使毛细管保持垂直并注意液面位置，然后按图C接好系统。慢慢打开抽气瓶活塞，进行测定。注意气泡形成的速度应保持稳定，通常以每分钟约8～12个气泡为宜。记录U型压力计两边最高和最低读数各3次，求出平均值。3、测定醇溶液的表面张力以不同浓度的乙醇或正丁醇溶液进行测量。从稀到浓依次进行。每次测量前必须用少量被测液洗涤测定管，尤其是毛细管部分，确保毛细管内外溶液的浓度一致。4、乙醇系列溶液的折光率测定乙醇水溶液的准确浓度，用阿贝折射仪来确定。五、数据记录与处理原乙醇溶液浓度C(V%)压力差（Pa）折光率123平均0577570568571.75470465467467.31.334210400399407402.01.336215363367360363.31.339720345356349350.01.340725306309301305.31.344930285289279284.31.347235269275268270.71.349740261264260261.71.35121、以纯水测量结果计算K1值。查表得σ=KΔPK=71.97*10-3/572=1.26*10-4M2、根据所测折光率，由实验室提供的浓度折射率工作曲线查出各溶液的浓度。图1-------折光率和乙醇浓度百分含量关系图3、计算各溶液的σ值。原乙醇溶液浓度C(V%)实际乙醇溶液浓度C(V%)实际乙醇溶液浓度C压力差（Pa）σ/10(-3)N/m123平均值52.20.38470465467467.358.83104.90.83400399407402.050.61159.71.66363367360363.345.742011.11.91345356349350.044.062517.53.01306309301305.338.443021.33.66285289279284.335.793525.84.42269275268270.734.074028.64.91261264260261.732.944、作σ-c图，并在曲线上读出10个点的表面张力，分别作出切线，并求得对应的斜率。项目CσK/10(-3)Γ/10(-3)C/Γ/(mol/L)/10(-3)mol·m-2/10(3)(m2/L)N/m10.456.93-10.1650.0016402243.8720.952.12-9.07260.0032938273.2431.447.86-7.96970.0045009311.0541.944.15-6.86670.005263361.0152.440.99-5.75850.0055751430.4962.938.38-4.66080.0054524531.8873.436.32-3.55790.0048798696.7583.934.82-2.45270.00385871010.7194.433.86-1.35080.00239761835.19104.933.45-0.26190.00051779465.325.根据Gibbs方程求算各浓度的吸附量T，并作出图，由直线斜率求其，并计算值。图2-------乙醇浓度与表面张力图图3------------C与C/Γ关系图=1/k=1/1194.35=8.373*10-7MOL·M-2=1.984*10-18M-2文献值表-----1.浓度折射率关系图浓度折光率051015202530354025℃1.33261.33621.33981.34321.34651.34941.35201.35421.3564表-----2.纯水温度与表面张力关系图t/℃σ/10(-3)N/m2571.973570.184568.74表-----3.乙醇溶液浓度与表面张力关系W﹪σ/10(-3)N/mW﹪σ/10(-3)N/m0.0072.200.00071.232.7260.790.79266.085.2154.972.14361.5611.1046.034.99454.1520.5037.5310.3945.8830.4732.2517.2838.5440.0029.6325.0034.08六、思考题1、在测量中，如果抽气速度过快，对测量结果有何影响?答：本实验的关键在于控制抽气速率，气泡形成的速率应保持稳定，若抽气速率过快，气泡形成过快，使测量读数偏高，影响测量结果。2、如果毛细管末端插入到溶液内部进行测量行吗?为什么?答：不行。毛细管末端应与液体液面相切，而此时的压力才是大气压力。若插入液面内部，压力将发生变化，导致测量结果不准确。`七注意事项1.仪器系统不能漏气。2.所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。3.打开滴液漏斗的活塞时要求使气泡尽可能慢的鼓出。4.毛细管要求出泡均匀，内径不可太粗，否则误差太大。毛细管头部必须平整光滑，不沾油污，以免出泡不均匀。5.测定表面活性剂溶液时，溶液要沿管壁慢慢加入，防止大量气泡。测定时也应放掉一些气泡后，才读出最大压力差，不能让泡沫在液面上过多堆积影响溶液和形成的压力差。6.毛细管必须干净，保持垂直，其管口刚好与液面相切．每次测量前用待测液洗涤毛细管，保持毛细管与样品管所测液浓度一致。7.读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。用吸耳球洗毛细管时，要打开活塞八讨论1．误差实验结果表明，运用单一毛细管插入液面以下一定深度进行溶液表面张力测定，它既能够克服气泡逸出不稳定，难以调节毛细管端面正好与液面相切的缺点，又能保证实验结果的准确性．具有操作简单、快速、准确度高等优点．对于物质不同温度下的表面张力数据的准确获得，具有较好的推广应用价值．此外，还可通过某溶液两温度时的表面张力，测定另一温度时溶液的密度．本实验产生误差的原因主要有以下几个方面（1）垂直相切没调好（2）读高度差时误差较大2.讨论由溶液的单位表面吸附量可求得每一个溶质分子在溶液表面占据的面积S。方法如下：若溶质在溶液表面是单分子层吸附，按兰缪尔（Laugmuir）吸附等温式2221ccb（5-17）式中，为单位溶液表面被溶质单分子层吸附的饱和吸附量，b为常数。以22c对2c作图，其直线斜率为。设AN为阿拂伽德罗常数，则每个溶质分子在溶液表面占据的面积为：1ASN（5-18）测定液体表面张力除气泡的最大压力法外，常用的还有毛细管上升法、滴重法等。毛细管上升法如图5-10所示。将半径为R的毛细管垂直插入可润滑的液体中，由于表面张力的作用，使毛细管内液面上升。平衡时，上升液柱的重力与液体由于表面张力的作用所受到向上的拉力相等，即：22cosRRgh2ghR（5-19）滴重法使液体受重力作用从垂直安放的毛细管向下滴落，当液滴最大时，其半径即为毛细管半径R。此时，重力与表面张力相平衡，即2mgR由于液滴形状的变化及不完全滴落，故重力项还需乘以校正系数F。F是毛细管半径R与液滴体积的函数，可在有关手册中查得。整理上式则得mgFR（5-20）式中每滴液体的质量m可由称量而得。若将液滴下落于另一液体之中，滴重法测得的即为液体之间的界面张力。3.实验改进（1）压力的测定：全智能微差压变送器通过ＡＤ数模转换卡同计算机相连，通过自编程序，不仅实现了对数据的保存，还可以在在线显示压力值的同时显示压力的变化曲线，方便确定停止数据采集的时间和数据点的好坏。（2）深度的测量：毛细管插入液面的深度对液体表面张力的测定是一个关键的环节。为此本文通过两个试管测定，一个作为测量管，另一个作为液面调节管，从而使式（）中第二项可以准确地消除。（3）流速的调