最大气泡压力法测定溶液的表面张力

1最大气泡压力法测定溶液的表面张力一、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、基本原理在一个液体的内部，任何分子周围的吸引力是平衡的。可是在液体表面表面层中，每个分子都受到垂直于并指向液体内部的不平衡力。所以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能，通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的变化△G,称为单位表面的表面能，其单位为J·m－1；而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力，称为表面张力，其单位是N·m－1。如欲使液体表面面积增加ΔS时，所消耗的可逆功A应该是：一A＝ΔG＝σΔS（1）液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。根据能量最低原则，若溶质能降低溶剂的表面张力，则表面层中溶质的浓度应比溶液内部的浓度大，如果所加溶质能使溶剂的表面张力升高，那么溶质在表面层中的浓度应比溶液内部的浓度低。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。在一定的温度和压力下，溶液表面吸附溶质的量与溶液的表面张力和加入的溶质量（即溶液的浓度）有关，它们之间的关系可用吉布斯(Gibbs)公式表示：Γ＝－RTc(c)T（2）式中：Γ为吸附量(mol·m－1)；σ为表面张力(J·m-1)；T为绝对温度(K)；c为溶液浓度(mol．L－1)；R为气体常数(8．314J．K—I·mol－1)。(c)T表示在一定温度下表面张力随溶液浓度而改变的变化率。如果σ随浓度的增加而减小，也即(c)T0，则Γ0，此时溶液表面层的浓度大于溶液内部的浓度，称为正吸附作用。如果σ随浓度的增加而增加即(c)T0，则Γ0，此时溶液表面层的浓度小于溶液本身的浓度，称为负吸附作用。从(2)式可看出，只要测定溶液的浓度和表面张力，就可求得各种不同浓度下溶液的吸附量Γ。在本实验中，溶液浓度的测定是应用浓度与折光率的对应关系，表面张力的测定是应用最大气泡压力法。图2是最大气泡压力法测定表面张力的装置示意图。将欲测表面张力的液体装于支管试管5中，使毛细管6的端面与液面相切，液面即沿着毛细管上升，打开滴液漏斗2的活塞进行缓慢抽气，此时由于毛细管内液面上所受的压力（p大气）大于支管试管中液面上的压力（p系统），故毛细管内的液面逐渐下降，并从毛细管管端缓慢地逸出气泡。在气泡形成过程中，由于表面张力的作用，凹液面产生了一个指向液面外2的附加压力Δp，因此有下述关系：p大气＝p系统＋ΔpΔp＝p大气－p系统(3)附加压力Δp和溶液的表面张力σ成正比，与气泡的曲率半径R成反比，其关系式为Δp＝2σ/R(4)若毛细管管径较小，则形成的气泡可视为是球形的。气泡刚形成时，由于表面几乎是平的，所以曲率半径R极大；当气泡形成半球形时，曲率半径R等于毛细管管径r，此时R值为最小；随着气泡的进一步增大，R又趋增大(见图3所示)，直至逸出液面。根据(31—4)式可知，当R＝r时，附加压力最大，为Δp＝2σ/r(5)这最大附加压力可由数字式微压差测量仪上读出。在实验中，若使用同一支毛细管和压力计，则r是一个常数。如果将已知表面张力的液体作为标准，由实验测得其Δp后，就可求出r。然后只要用这一仪器测定其他液体的Δp值，通过(5)式计算，即可求得各种液体的表面张力σ三、操作步骤1．作工作曲线（已有标准曲线σ～c）2．r的测定(1)仔细洗净支管试管和毛细管。将数字式压力计接上电源，预热后采零。然后按图2所示连接装置。在滴液漏斗中装满水。(2)加入适量的重蒸馏水于支管试管中，调节毛细管的高低使其端面与液面相切。然后把支管试管浸入恒温槽(必须使毛细管处于垂直位置)，在20℃条件下恒温十分钟。(3)打开滴液漏斗活塞进行缓慢抽气，使气泡从毛细管口逸出。调节气泡逸出的速度不超过每分钟20个时，读出压力计压力差。重复读数三次，取其平均值。3．待测样品表面张力的测定(1)用待测溶液洗净支管试管和毛细管后，加入适量的样品于支管试管中。(2)按仪器常数测定时的操作步骤，分别测定各种未知浓度酒精溶液的Δp值。4．待测样品浓度的测定用阿贝折光仪测定待测样品的折光率，并从工作曲线上找出其相应的浓度值。四、数据记录和处理1．用表格列出各溶液的最大压力差与折光率数值，并求得其表面张力和浓度的数值。2．以浓度c为横坐标，表面张力σ为纵坐标作图(横坐标浓度从零开始)。3．在σ一c曲线上任取若干点，分别作出切线，求得其斜率m。m＝(c)T4．根据吉布斯吸附方程式求算各浓度的吸附量。并画出吸附量与浓度的关系图。由斜率刚求算吸附量r的方法如图4所示，在σ一c图上任找一点d，过d点作切线ab，此曲线的斜率m为m＝10cZ＝－1cZ所以Γ＝RTZ六、思考讨论题1．表面张力为什么必须在恒温槽中进行测定?温度变化对表面张力有何影响?为什么?2．本实验为什么选用酒精压力计而不用水银压力计?