最大气泡法测定液体的表面张力辽宁科技大学材冶

最大气泡法测定液体的表面张力一、实验目的1．掌握最大气泡法测定液体的表面张力的原理和方法。2．熟悉表面张力的意义和性质，测定不同浓度液体的表面张力。3．熟悉表面吸附的性质及与表面张力的关系。二、实验原理溶剂中加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化，加入表面活性物质（能显著降低溶剂表面张力的物质）则它们在表面层的浓度要大于在溶液内部的浓度，加入非表面活性物质则它们在表面层的浓度比溶液内部低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫溶液的吸附。显然，在指定的温度压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。从热力学可知，它们之间的关系遵守吉布斯吸附等温方程：TdcdRTc（7—1）式中：—为溶质在单位面积表面层中的吸附量（mol·m－2）；—为溶液的表面张力（N·m－2）；c—为溶液浓度（mol·m－3）；；R—气体常数，8.314J·mol－1·K－1；T—为绝对温度（K）。当)/(dcd0时，0，即溶液的表面张力随着溶液浓度的增加而下降时，吸附量为正值，称为正吸附，反之，当)/(dcd0时，0称为负吸附。吉布斯吸附等温方程式应用范围很广，但上述形式只适用于稀溶液。通过实验测得不同浓度溶液的表面张力1、2……即可求得吸附量。本实验采用最大气泡压力法测定正丁醇水溶液的表面张力值。试验装置如图（7—1）所示。图7—1表面张力测定装置1—样品管2—毛细管3—压瓶4—精密数字压力计5—大气平衡管6—活塞图7—2气泡曲率半径的变化规律将欲测表面张力的溶液装入样品管中，使毛细管的端口与液面相切，液体即沿毛细管上升，打开减压瓶3的活塞6，使里面的水慢慢的滴出，则系统内的压力慢慢减小，毛细管2液面上受到一个比样品管中液面上大的压力，此时毛细管内液面就会下降，直到在毛细管端面形成一个稳定的气泡。开始时气泡表面很平，曲率半径很大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，形成半球时，气泡的曲率半径与毛细管的半径相等，曲率半径达最小值（如图7—2）。气泡进一步长大，曲率半径又变大，直到气泡从毛细管口脱出。曲率半径最小时有最大的附加压力，在压力计上就有绝对值最大的读数。此时气泡的曲率半径就是毛细管的半径。可见毛细管口冒出气泡所需要增加的压力（P）与液体的表面张力成正比。利用杨—拉普拉斯公式有：rhgPm2式中：mP—曲率半径最小时气泡的最大附加压力，单位为Pa；h—压力计上绝对值最大的读数，，单位为mmH2O;—水的密度；单位为kg·L－1g—重力加速度；单位为m·s－2—表面张力；r—气泡的最小曲率半径，同时也是毛细管的半径。于是得到：hKhgr2（7—2）式中K与毛细管的半径有关，对同一支毛细管是常数，称为仪器常数，可由已知表面张力的液体求得，例如已知水在实验温度下的表面张力，测得最大压力读数P，则pK/，求出该毛细管的K值，就可用它测定其他液体的表面张力了。hhPPPK（7—3）式中hh,为精密数字压力计的最大读数。由实验测得不同浓度时的表面张力，以浓度c为横坐标，为纵坐标，得—c曲线如图（7—3）所。当溶液浓度较小时，随c的增大而迅速下降。溶液浓度继oc图7—3表面张力及吸附等温线图7－4～c关系图续增大，溶液的表面张力随浓度的变化渐趋平缓。当浓度增大到某一值后，溶液的表面张力几乎不随浓度增加而改变。为了求得在不同浓度下的吸附量，可以利用图解法进行计算。如图7—3所示，在c~曲线上取任意一点a，通过a点作曲线的切线ab和平行于横轴的直线ba，分别交于纵轴bb和。令Zbb，则cZcbbdcd0故dcdcZ将上式代入（7—1）吉布斯吸附等温方程，得到该浓度时的吸附量为：TdcdRTc（7—4）CCb'bZacC以不同的浓度对其相应的作出曲线，)(cf称为吸附等温线，如图7—3中曲线c~所示。在一定的温度下，吸附量与溶液浓度间的关系可用Langmuir吸附等温式表示：kckc1或kckkcc11（7—5）以/c对c作图，得一直线，如图7—4所示。该直线的斜率为/1。为饱和吸附量，是溶液表面盖满一单分子层溶质的量，其单位是mol·cm－2。设1cm－2表面上被吸附的分子数为N，则有N＝NA；NA为阿伏伽德罗常数。由此可以计算出当饱和吸附时，每个分子在表面上所占据的面积，此面积亦可看作是分子的截面积：ASNA1(7—6)若已知溶液的密度，摩尔质量M，就可以计算出吸附层厚度。M(7—7)三、仪器药品DP—4W表面张力实验仪、DP—A精密数字微压计、电吹风、小烧杯、量筒、滴管0.050；0.100；0.200；0.300；0.400；0.500；0.600mol·L－1正丁醇溶液四、实验步骤1．仪器准备和检漏将表面张力仪的各个玻璃仪器和毛细管先用洗液，再用自来水和蒸馏水洗涤，烘干后按图7—1安装好。将水注入减压瓶中，然后用洗瓶将蒸馏水注入样品管中，反复用滴管调节毛细管底端平面与液面的高度，使毛细管底端平面恰好与液面相切，并且样品管与桌面垂直。打开微压计4的电源，并将仪器的单位设置为“mmH2O”，在装置图大气平衡管5与大气相通的情况下，按下微压计的“采零”钮，使仪器示数为“0”。夹紧5处的胶管，在开启活塞6，这时减压瓶3中水面下降，使体系内压力降低（实际上等于对系统抽气）。当压力计4有一定示数（至少为-30mmH2O以上）时，关闭活塞6，若两三分钟内微压计的示数不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。2．仪器常数的测定打开活塞6，对体系减压，调节水流速度，使气泡由毛细管底端成单泡逸出（每分钟约20个气泡），记录微压计绝对值最大的读数三次，取其平均值。再由附录中查出实验温度下水的表面张力水，则仪器常数K为：最大水＝hK（7—8）3．正丁醇溶液表面张力的测定：将样品管中的蒸馏水全部倒出，用待测液将样品管及毛细管仔细洗涤3次，在样品管中装入待测溶液，用上述方法测定浓度为0.050、0.100、0.200、0.300、0.400、0.500、0.600mol·L－1的正丁醇溶液的最大压力差，每个样品分别测定三次，取其平均值。五、数据记录姓名：z’z班级：冶金-A2学号：13温度(℃)：18.2压强(Kpa)：130.07日期：2015.11.7六、绘制图表C(mol•dm-3)0(纯水)0.0500.1000.2000.3000.4000.5000.600Δh1(mmH2o)57.049.645.742.037.433.331.326.3Δh2(mmH2o)56.850.145.143.237.830.830.826.2Δh3(mmH2o)57.050.045.043.836.930.530.525.7Δi(mmH2o)56.949.945.343.037.430.830.826.1σi×103(N•m-1)72.0063.1457.3254.6147.3342.9339.1233.15iidCd×10-6(N•m2mol-1)-86.2-81.25-76.2-66.2-56.2-46.2-33.6-26.2Г×106(mol•m-2)01.683.155.466.967.636.856.49×10-6(m-1)029.7631.7536.6343.1052.4272.9992.45K(N•m-2)1.27Г∞×106(mol•m-3)9.149As(m2)1.92X10-19δ(m)7.44X10-10七、数据处理①∵σ水=7.2×10-2N·m-1∴仪器常数2312265.1109.56102.72mNmmNhkOH。②正丁醇的表面张力，由公式205.00.05265.1mNhkhkii131014.636.49mNmm同理求得：131.01032.57mN132.01061.54mN，133.01033.47mN，134.01093.42mN135.01012.39mN，136.01015.33mN③由图表1得581.700862.010525CCI对其求导得0862.01014'C，将C代入即求得dCdi。例molmNmolmNddcd26-234'05.005.005.010-81.2510)0862.050101(同理0.100100.0dcdmolmN2-61076.2-0.200200.0dcdmolmN2-61066.2-0.300300.0dcdmolmN2-61056.2-0.400400.0dcdmolmN2-61046.2-0.500500.0dcdmolmN2-61033.6-0.600600.0dcdmolmN2-61026.2-④由iidCdRTC求得。例：261261305.005.00.051068.1molm1025.815.2415.2733145.850c-mmolNkmolmmoldcdRT同理26100.01015.3mmol26200.01046.5mmol26003.0106.96mmol26004.0107.63mmol26005.0106.85mmol260060106.49mmol⑤求1626305.01029.76101.6850)(mmmolmmolCC。同理16100.01031.75)(mC16200.01036.63)(mC16300.01043.10)(mC16400.01052.42)(mC161072.990.500)(mC16600.01092.45)(mC⑥作bCC1图求As由图表得m=1.09x10562510149.910093.111mmolm2192361082.11002.610149.91mNmNAsAAmM1036-61044.7mg100.897873109.149相对误差：0021921921900valuetruevaluetruevaluemeasured100104.2|104.21082.1|100||mmmAAAESSS24.2%误差分析由参考文献知正丁醇分子的截面积为2.4-3.2×10-19㎡，本实验中求得的分子截面积偏小，误差的主要原因是图表1中横坐标取值较小，生成的二次函数式误差较大，再者仪器本身引起误差。八、参考文献①东北师范大学校编《物理化学实验》北京：人民教育出版社.1992年出版.155页正丁醇分子截面积2.4-3.2×10-19㎡。②罗澄源等编《物理化学实验》第三版，北京：高等教育出版社，1991年出版，217页正丁醇分子截面积2.4-3.2×10-19㎡。九、实验心得本次试验通过用最大气泡法测定液体的表面张力，实验的关键是每次试验应将毛细管低端与液面调平，冒出的气泡应均匀，不应太快，每次换溶液时要用待测液润洗，通过本次试验，我掌握了用最大气泡法测液体表面张力的原理与方法。十、思考题1．溶液的表面为何必须得调至与毛细管端口相切？否则对实验有何影响？答：毛细管插入溶液中的深度直接影响测量结果的准确性，如果将毛细管末端插入溶液内部，毛细管内将会有一段水柱，产生压力，则测定管中的压力Pr会变小，△Pmax会变大，测量结果偏大。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