最大泡压法测定溶液的表面张力

化学化工实验中心物理化学实验课件制作：张跃华张其平物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）最大泡压法测定溶液的表面张力1、了解表面张力的性质，表面自由能的意义及表面张力和吸附的关系2、掌握一种测定表面张力的方法——最大气泡法3、测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量一、实验目的物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）（一）表面自由能（表面张力）从热力学的观点来看，液体的表面缩小是一自发过程，这是使总的自由能减小的过程，如欲使液体产生新的表面ΔS，就需对外做功，其大小与ΔS成正比：-A=σΔSσ为液体的表面自由能，亦称表面张力（单位为J·m-2）。它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值也液体的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关。（二）溶液的表面吸附纯物质表面层组成与内部组成相同，因此纯液体降低表面自由能的唯一方法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，因此可以通过调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。根据能量最低原则，当溶质能降低溶剂的表面张力时，它在表面层中的溶质浓度比溶液内部的大；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溶液内部的浓度低，这种表面浓度和内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。二、实验原理最大泡压法测定溶液的表面张力物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）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）方程：二、实验原理最大泡压法测定溶液的表面张力TdcdRTc)(式中：为吸附量（mol·m-2）；T为绝对温度（K）；c为溶液浓度（mol·L-1）；R为摩尔气体常数。当0时，0,称为负吸附；当0时，0,称为负吸附。Tdcd)（Tdcd)（物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）二、实验原理最大泡压法测定溶液的表面张力有些物质溶入溶剂以后，能使溶剂的表面张力显著降低，这类物质被称为表面活性物质。工业和日常生活中被广泛使用的去污剂、乳化剂、润湿剂以及起泡剂等等都是表面活性物质。以表面张力对浓度作图，可得到σ-c曲线，开始σ随浓度增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢。在σ-c曲线上任选一点作切线，即可得该点所对应浓度的斜率。Tdcd)（本实验采用最大气泡法测定乙醇水溶液的表面张力，通过乙醇水溶液的表面张力和浓度的关系求出表面吸附量，仪器装置如图：物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）二、实验原理最大泡压法测定溶液的表面张力将待测溶液装入大试管中，使毛细管与的端面与溶液相切，液面即沿毛细管1上升，打开抽气瓶3的活塞抽气，毛细管内的液体受到比大试管4内较大的压力，当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管中液体的表面张力时，气泡就从毛细管中被压出，这个最大压力差值可由U型压力计2读出：Pmax=ρΔhg式中Δh为U型压力计两边读数之差；g为重力加速度，ρ为压力计内液体的密度。另一方面，当气泡在毛细管内逐渐长大时，其曲率半径逐渐变小，气泡达到最大时便会破裂，此时曲率半径最小，等于毛细管半径R。这时气泡能承受的压力最大，为2/R，它应等于Pmax；ρΔhg=2σ/R，即σ=ρΔhgR/2若用同一支毛细管，同一压力计，对两种具有表面张力σ1，σ2的液体而言，则有下列关系式：σ1=ρΔh1gR/2；σ2=ρΔh2gR/2物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）二、实验原理最大泡压法测定溶液的表面张力如σ2为已知，则，故2121hh1221hh用已知表面张力为σ2的液体作为标准，用上式即可求得其它液体的表面张力，σ2/h2作为仪器常数K。溶液浓度的测定应用折光率与组成的对应关系，首先测定一系列已知浓度溶液的折光率，作出折光率和浓度的工作曲线，然后测定待测溶液的折光率，即可在工作曲线上求出其浓度。物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）三、实验仪器和药品表面张力仪阿贝折光仪小烧杯无水乙醇最大泡压法测定溶液的表面张力物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）四、实验步骤首先将预先洗净的表面张力仪大试管（包括毛细管）放入恒温槽中恒温，然后将抽气瓶中加入水，到与侧面支管相齐为止，在大试管中注入蒸馏水，并使液面正好与毛细管相切，调节恒温槽中大试管的位置，使大试管垂直放置。然后打开抽气瓶活塞，使盛在管中的水缓慢流出而使系统内逐步减压，这样，在气泡脱出的一瞬间，可以很容易地读出U形压力计内液面的高度。当气泡形成的频率稳定时（约每分钟20个气泡），就注意压力计两边的高度，记录压力两边最高和最低读数三次，求其平均值，即可求出仪器常数K。测定乙醇溶液表面张力σ与浓度的关系以同样方法将大试管中换以不同浓度的乙醇溶液，测出不同的压力差，再用公式求出表面张力。乙醇水溶液的浓度由阿贝折光仪测定。最大泡压法测定溶液的表面张力物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）五、数据处理（一）数据表此表作为参考，根据实际需要变更最大泡压法测定溶液的表面张力室温：℃大气压：MPa蒸馏水σN/mΔhmm乙醇溶液序号Δh/mmσN(折光率)C(浓度)12345678…表1乙醇溶液的浓度与表面张力的关系物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）五、数据处理（一）数据表此表作为参考，根据实际需要变更最大泡压法测定溶液的表面张力表2乙醇溶液的浓度与表面吸附量的关系序号c(dσ/dc)TΓ12345678910…物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）五、数据处理最大泡压法测定溶液的表面张力（二）用坐标纸，作折光率对乙醇浓度的工作曲线，从工作曲线上查找乙醇溶液的浓度。（三）根据不同乙醇溶液用表面张力仪所测得的压力差，计算不同乙醇溶液的表面张力。（四）用坐标纸，作表面张力对乙醇浓度的关系曲线，在曲线上取10-15个点作曲线的切线求的各点的切线斜率，又斜率计算表面吸附量。（五）用坐标纸，作的关系曲线，求的饱和吸附量。T)dcd(cc物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）六、注意事项（一）一定要把大试管及毛细管洗干净，溶液和毛细管要相切（二）毛细管和液面要垂直，出泡不可太快（三）读取压力计的最大气泡Pmax时，应是气泡逸出时的最大压力差，应保持体系密封最大泡压法测定溶液的表面张力物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）七、思考题（一）为什么毛细管端应与液面相切？（二）毛细管洁净与否对所测数据有何影响？（三）为什么压力计中盛水或乙醇而不放汞？（四）滴液速度过快或过慢对实验有何影响？为什么？最大泡压法测定溶液的表面张力物理化学实验（EXPERIMENTSOFPHYSICALCHEMISTRY）南通大学（NantongUniversity）八、附录最大泡压法测定溶液的表面张力不同温度下水的表面张力t/℃σ/10-3N/mt/℃σ/10-3N/m075.642172.59574.922272.441074.222372.281174.072472.131273.932571.971373.782671.821473.642771.661573.492871.501673.342971.351773.193071.181873.053570.381972.904069.562072.754568.74