溶液表面张力的测定——最大气泡压力法

材料与化学工程学院物理化学实验报告溶液表面张力的测定——最大气泡压力法一．实验目的及要求1．掌握最大气泡压力法测定溶液表面张力的原理和方法。2．了解影响表面张力测定的因素3．熟悉利用吉布斯（Gibbs）吸附方程计算吸附量与浓度的关系的方法。二．实验原理表面张力是液体的重要性质之一，液体的表面张力与温度有关，温度越高，表面张力越小，到达临界温度时，表面张力趋于零。液体的表面张力也与液体的浓度有关，在溶剂中加入溶质，表面张力就要发生变化。从热力学观点来看，液体表面缩小导致体系总的吉布斯函数减少，为一自发过程。如欲使液体产生新的表面积△A，就需要消耗一定量的功W，其大小与△A成正比：Wr=σ△A，而等温等压下△G=Wr，如果△A=1m2，则Wr=σ=△G表，表面在等温下形成1m2的新表面所需的可逆功，即为吉布斯函数的增加，故亦叫比表面吉布斯函数，其单位是J▪m-2.从物理学来看，是作用在单位长度界面上的力，故亦称表面张力，其单位为N▪m-1.表面张力的产生是由于表面分子受力不均衡引起的，当一种物质加入后，对某种液体（包括内部和表面）及固体的表面结构会带来强烈的影响，则必然引起表面张力，即比表面吉布斯函数的改变。根据吉布斯函数最低原理，溶质能降低液体（溶液）的表面吉布斯函数时，表面层溶质的浓度比内部的大；反之，若使表面吉布斯函数增加时，则溶质在表面的浓度比在内部的小。这两种现象都叫溶液的表面吸附。显然在指定温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力和溶液的浓度有关。从热力学方法可导出它们之间的关系式，即吉布斯（Gibbs）等温吸附方程式：()TcRTc式中：为吸附量（单位为mol/m2）；为比表面吉布斯函数（J▪m-2）或亦称表面张力（N▪m-1）；T为绝对温度（K）；c为溶液浓度（mol/m3）；R为气体常数（8.314J/mol/K）。显然，当()Tc0时，0，成为正吸附；当()Tc0时，0，成为负吸附。溶于溶剂中能使其表面吉布斯函数σ显著降低的物质称为表面活性物质（即产生正吸附的物质）；反之，称为表面惰性物质（即产生负吸附的物质）。通过实验应用吉布斯方程可作出浓度于吸附量的关系曲线，先测定在统一温度下各浓度溶液的σ，绘出σ-c曲线，将曲线上某一浓度c对应的斜率()Tc带人吉布斯公式就可求出吸附量，如图所示。测定各平衡浓度下的相应表面张力σ，作出σ-c曲线，如图所示，并在指明浓度的L点作一切线交纵轴于点N，在通过L点做一条横轴的平行线交纵轴于M点，则有如下的关系式：-c1ddc=MN，即1=MNRT。由以上的方法计算出适当间隔（浓度）所对应的值，便可作出-c曲线。测量表面材料与化学工程学院物理化学实验报告张力的方法很多，如毛细管上升法、滴重法、拉环法等，而以最大气泡压力法较方便，应用颇多。其实验的基本原理如下：如图将欲测表面张力的液体装于试管2中，使毛细管1的端口与液体表面相齐，即刚接触液面，液面沿毛细管上升，打开滴液漏斗6的玻璃活塞5，滴液达到缓缓增压目的，此时毛细管1内液面上受到一个比管2内液面上大的压力，当压力差稍大于毛细管端产生的气泡内的附加压力时，气泡就冲出毛细管。次压力差△P和气泡内的附加压力P附始终维持平衡。压力差△P可由压力剂读出。气泡内附加压力Ρ附=22式中：为气泡的曲率半径，σ为溶液的表面张力。由于△P=P附，则2因为只有气泡半径等于毛细管半径时，气泡的曲率半径最小，产生的附加压力最大，此时压力计上的△P也最大。所以在测得压力计上的最大△P对应的即毛细管半径。毛细管半径不易测得，但对同一仪器又是一常数，及2=常数，设为K，称作仪器常数。则式变为0K我们用已知表面张力σ0的液体测得其最大压力差0，则K=00P，带回上式可测量任何溶液的σ值。三．实验步骤1．重量法配置5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%的乙醇水溶液。2．仪器的清洗。将表面张力仪1，2用洗液浸泡数分钟后，用自来水及蒸馏水冲洗干净，不要再玻璃面上留有水珠，使毛细管有很好的润湿。3．调节恒温水浴温度为25摄氏度或35摄氏度。4．仪器常数的测定。在减压器中装满水，塞紧塞子。使夹子4处于开放状态。在管2中注入少量蒸馏水，装好毛细管1，并使其尖端处刚好与液面接触（多余液体可用洗耳球吸材料与化学工程学院物理化学实验报告出）。按图装好夹子，为检测仪器是否漏气，打开滴水增压，在微压差计上有一定压力显示，关闭开关，停1min左右，若微压差计显示的压力值不变，说明仪器不漏气。在打开开关5继续滴水增压，空气泡便从毛细管下端溢出，控制使空气泡溢出的速度为每分钟20个左右，可以观察到，当空气气泡刚破坏时，微压力计显示的压力值最大，读取为压力值至少三次，求平均值。由已知蒸馏水的表面张力σ0（可查表）及实验测定的压力值△P0可算出K值。5．乙醇溶液系列表面张力的测定。先夹好夹子，然后把表面张力仪中的蒸馏水倒掉，用少量待测溶液将毛细管内部及毛细管冲洗2-3次，然后倒入要测定的乙醇溶液。从最稀溶液开始，依次测较浓的溶液（为什么？）。此后，按照与测量仪器常数的相同操作进行测定。将乙醇溶液测完后，洗净管子及毛细管，依法重测一次蒸馏水的表面张力，与试验前的蒸馏水的表面张力进行比较，并加以分析。6．改变很稳水浴温度。按上述步骤测定35摄氏度下乙醇系列表面张力。7．如果没有条件而按体积配置的溶液，需要分别测定乙醇系列的折光率，在工作曲线上查得准确浓度，工作曲线可由实验室提供。四．实验注意事项五．数据记录与处理1．将实验数据及结果填入表中。123平均0603602599601.33119.6871.975%175177175175.67119.6821.0210%145147148146.67119.6817.5515%103103103103.00119.6812.3320%59606160.00119.687.1825%216213214214.33119.6825.6530%206205207206.00119.6824.6535%199199198198.67119.6823.7840%178176175176.33119.6821.10乙醇浓度％测定次数及平均值k=σ0/△p0σ/*103Jm-22.按表列和计算的数据画出乙醇的σ-c图材料与化学工程学院物理化学实验报告3．在σ-c图用作切线法求各适当间隔的浓度的值。并作出-c等温吸附线。4．做出35摄氏度时的-c等温吸附线并与25摄氏度的做多比得出温度影响结论。七．思考题八．讨论九．附表温度℃表面张力σ*103温度℃表面张力σ*103温度℃表面张力σ*103075.641972.903071.18574.922072.753570.381074.222172.594069.561174.072272.444568.741273.932372.285067.911373.782472.135567.051473.642571.976066.181573.492671.827064.421673.342771.668062.611773.192871.509060.751873.052971.3510058.85