溶液表面张力的测定

溶液表面张力的测定一、实验目的1．掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术。2．通过对不同浓度乙醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能、表面张力和吸附量关系的理解。二、实验原理1、在一定温度下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。根据能量最低原理，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，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。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之间的关系遵循吉布斯吸附等温式：Γ=–（c/RT）*（dγ/dc）①式中，Г为溶液在表层的吸附量；γ为表面张力；c为吸附达到平衡时溶液在介质中的浓度。根据朗格谬尔（Langmuir）公式：Γ=Γ∞Kc/（1＋Kc）②Γ∞为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的Γ∞c/Γ=（1＋Kc）/（Γ∞K）=c/Γ∞＋1/Γ∞K③以c/Г对c作图，则图中该直线斜率为1/Г∞。由所得的Г∞代入Am=1/Г∞L可求被吸附分子的截面积（L为阿伏伽德罗常数）。2、本实验用气泡最大压力法测定溶液的表面张力，其仪器装置如图1所示：图1、最大气泡压力法测量表面张力的装置示意图将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使毛细管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内的液面上受到一个比A瓶中液面上大的压力，当此压力差——附加压力（△P=P大气–P系统）在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管液体的表面张力时，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为：ΔP=2γ/R④式中，ΔP为附加压力；γ为表面张力；R为气泡的曲率半径。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时的曲率半径R和毛细管的半径r相等，曲率半径最小值，根据上式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。根据上式，R=r时的最大附加压力为：ΔP=2γ/r⑤实际测量时，使毛细管端刚与液面接触，则可忽略气泡鼓起所需克服的静压力，这样就可以直接用上式进行计算。当将其它参数合并为常数K时，则上式变为：ΔP=Kγ⑥式中仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得。三、仪器药品1、仪器：最大泡压法表面张力仪1套，洗耳球1个，移液管(50ml和10ml)各一支，烧杯（500mL）。2、药品：乙醇，蒸馏水。四、实验步骤1.配乙醇浓度：2%，5%，15%，20%，25%，30%，40%，50%。2.仪器准备将表面张力仪器和毛细管洗净、烘干后按图接好。3.仪器检漏在滴液瓶中盛入水，将毛细管插入样品管中，打开泄压开关，从侧管中加入样品，是毛细管管口刚好液面相切，接入恒温水恒温五分钟后，系统采零之后关闭泄压开关。此时，将滴液瓶的滴液开关缓慢打开放水，使体系内的压力降低，精密数字压力计显示一定数值时，关闭滴液瓶的开关。若2~3min内精密数字压力计数字不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。4仪器常数的测量（用蒸馏水测仪器常数）缓慢打开滴液瓶的滴液开关，调节滴液开关使精密数字压力计显示值逐个递减，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，当气泡刚脱离毛细管管端破裂的一瞬间，精密数字压力计上显示压力值，记录压力值，连续读取三次，取其平均值。5.表面张力随溶液浓度变化的测定，按上述方法改变的浓度分别测定各自的压力值。6.实验完毕，使系统与大气相通，关掉电源，洗净玻璃仪器。五、实验数据记录及处理1、实验数据的记录室温：℃大气压强：序号质量分数%乙醇浓度c（mol/L）|⊿P|(KPa)表面张力γ（N/m）1蒸馏水0.0022%乙醇0.4435%乙醇1.14415%乙醇3.82520%乙醇5.42625%乙醇7.20730%乙醇9.29840%乙醇14.45950%乙醇21.702.绘制γ(N/m)--c(mol.L)曲线3.在曲线上取若干点求斜率dγ/dc，4根据吉布斯方程求吸附量。5.用表列出c，Г，dγ/dc，c/Γ的对应数据。cГdγ/dcc/Γ6.以c/Γ对c作图，从直线的斜率求出Γ∞,并计算出乙醇分子的截面积Am。六、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.读取压力计的压差时，应取单个逸出时的最大压力差。七、结果与讨论1、这次的实验操作的步骤很简单，就是实验量比较大，数据比较容易产生误差。从得到的c/Γ-c等温线来看，得到的数据不是很理想，拟合出的直线不够精确。可能的原因有：①液面没有跟毛细管底部完全相切；②没有等到气泡稳定了再读数。2、本实验是通过测最大气泡来测定溶液的表面张力，计算过程中巧妙地用求导的方法间接地来求出τ-c的切线。所用的毛细管必须干净，干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切；读取压力计的压差时，应取气泡单个溢出时的最大压力差。3、使用的张力管及毛细管的洗涤要彻底。如果毛细管洗涤不干净，不仅影响表面张力值，而且会使气泡不能有规律地单个连续逸出。毛细管插入溶液中的深度直接影响测量结果的准确性，这是因为溶液的静压力会增加对气泡壁的压强，为了减少静压力的影响，应尽可能减少毛细管的插入和深度，使插入深度与液面刚好相切。