最大泡压法测定溶液的表面张力.docx

最大泡压法测定溶液的表面张力一、实验目的1、测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和溶质分子的横截面积；2、了解表面张力的性质，比表面吉布斯函数的意义以及表面张力和吸附的关系；3、掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术二、实验原理1．比表面吉布斯函数从热力学观点看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总的比表面吉布斯函数减小的过程如欲使液体产生新的表面△ A,则需要对其做功功的大小应与AA成正比：式中为液体的比表面吉布斯函数，亦称表面张力它表示了液体表面自动缩小趋势的大小，其量值与液体的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关2．溶液的表面吸附纯物质表面层的组成与内部的组成相同，因此纯液体降低比表面吉布斯函数的惟一途径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 以调节溶质在表面层的浓度来降低比表面吉布斯函数根据能量最低原则，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，表面层中的浓度比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 溶液的表面吸附显然，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)吸附方程:式中：「为表面吸附量（单位：mol ・iik）； T为热力学温度（单位：K）； C为稀溶液浓度（单 位：mol. L—i）； R为气体常数。

/ d b、 / d b、若'血丿C o,则P〈0,称为负吸附 本实验研究正吸附情况 有一类物质,溶入溶剂后,能使溶剂的表面张力降低,这类物质被称为表面活性物 质表面活性物质具有显著的不对称结构,它们是由亲水的极性基团和憎水的非极性基 团构成的对于有机化合物来说,表面活性物质的极性部分一般为-NH+ , -OH, -SH, -COOH,3-SOOH 等乙醇就属这样的化合物它们在水溶液表面排列的情况随其浓度不同而异2如图 A 所示,浓度很小时,分子可以平躺在表面上；浓度增大时,分子的极性基团取向 溶液内部,而非极性基团基本上取向空间；当浓度增至一定程度,溶质分子占据了所有 表面,就形成饱和吸附层以表面张力对浓度作图，可得到O -c曲线，如图B所示从图中可以看出，在开 始时O随浓度增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢岂ML址兰直壬— I 1^1 匸 匚—«■ —— TT*™ MH. 4L L L」L £|-（^4匕4& uwuCUCUXD■———曰— ■ ™—f・・ h a r ■■ ■ ■ 4 a- 4 二二MM」一一 . RM ■ 1— 一徹j 偲和、国A走咖相性宙贞的丧谢吸附憫况在O -c曲线上任选一点i作切线，即可得该点所对应浓度Ci的斜率（do /dci）.再由Gibbs吸附方程式，可求得不同浓度下的T值。

3．饱和吸附与溶质分子的横截面积吸附量「与浓度C之间的关系，可用郎格茂(Langmuir)吸附等温式表示:式中「为饱和吸附量；K为常数将上式取倒数可得：c——一cr作 图，直线斜率的倒数即为「OO如果以N代表1 m2表面上溶质的分子数，则有：n = r Lg式中 L 为阿伏加德罗常数，由此可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积：1S =2 r Lg因此 O -c曲线上求出不同浓度的吸附量P,再从P-c直线上求出T，便可计算出溶质分子的横截面积SOO4．最大气泡法测定表面张力测定表面张力的方法很多本实验用最大气泡法测定乙醇水溶液的表面张力，其实验装置和原理如图 C 所示将被测液体装于测定管中，使玻璃管下端毛细管端面与液面正好相切，液面沿毛细管上升打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气，则测定管中的压力户逐渐减小，毛细管中压力 p0 就会将管中液面压至管口，并形成气泡，其曲率半径由大而小，直至恰好等于毛细管半径r根据拉普拉斯(Laplace)公式，这时能承受的压力差也最大：△Pmax = ^Pr = Po 一 A =随后大气压力将把此气泡压出管口，曲率半径再次增大，因此气泡表面膜所能承受 的压力差必然减少，实际上测定管中的压力差却在进一步加大，所以立即导致气泡的破 裂。

最大压力差可通过数字压力计测得用同一根毛细管分别测定具有不同表面张力的溶液时，可得下列关系O 1 =r/2A Pl O 2 =r/2A P2O 1 = K △ P三、仪器与试剂仪器：表面张力测定装置 1 套，恒温水浴1 套，阿贝折射仪1 台，洗耳球1 个， 200mL烧杯 1 只试剂：乙醇(分析纯)四、实验内容1 、配制溶液用称重法粗略配制 5％， 10％， 15％， 20％， 25％， 30％， 35％， 40％的乙醇水溶液待用2、测定仪器常数调节恒温槽温度为25°C将仪器认真洗涤干净，在测定管中注入蒸馏水，使管内 液面刚好与毛细管口相接触，置于恒温水浴内恒温lOmin注意使毛细管保持垂直并注 意液面位置，然后按图 C 接好系统慢慢打开抽气瓶活塞，进行测定注意气泡形成的 速度应保持稳定，通常以每分钟约8〜12个气泡为宜记录U型压力计两边最高和最低 读数各 3 次，求出平均值3、 测定醇溶液的表面张力以不同浓度的乙醇或正丁醇溶液进行测量从稀到浓依次进行每次测量前必须用 少量被测液洗涤测定管，尤其是毛细管部分，确保毛细管内外溶液的浓度一致4、 乙醇系列溶液的折光率测定乙醇水溶液的准确浓度，用阿贝折射仪来确定。

五、数据记录与处理原乙醇溶 液浓度C(V%)压力差(Pa)折光率123平均0577570568571.75470465467467.31.334210400399407402.01.336215363367360363.31.339720345356349350.01.340725306309301305.31.344930285289279284.31.347235269275268270.71.349740261264260261.71.35121、 以纯水测量结果计算K1值查表得O = K △ PK= 71.97*1O-3/572 =1.26*1O-4M2、 根据所测折光率，由实验室提供的浓度折射率工作曲线查出各溶液的浓度图1折光率和乙醇浓度百分含量关系图3、计算各溶液的o值原乙醇溶液 浓 度C(V%)实际乙醇溶液浓度C(V%)实际乙醇溶液浓度C压力差(Pa)o/10(-3)N/m123平均值52.20.38470465467467.358.83104.90.83400399407402.050.61159.71.66363367360363.345.742011.11.91345356349350.044.062517.53.01306309301305.338.443021.33.66285289279284.335.793525.84.42269275268270.734.074028.64.91261264260261.732.944、作o -c图，并在曲线上读出10个点的表面张力，分别作出切线，并求得对应的斜率。

项目CoK /10(-3)r /10(-3)C/r/(mol/L)/10(-3)mol • m-2/10(3) ( m2/L)N/m10.456.93-10.1650.0016402243.87100.91.41.92.42.93.43.94.44.952.1247.8644.1540.9938.3836.3234.8233.8633.45-9.0726-7.9697-6.8667-5.7585-4.6608-3.5579-2.4527-1.3508-0.26190.00329380.00450090.0052630.00557510.00545240.00487980.00385870.00239760.0005177273.24311.05361.01430.49531.88696.751010.711835.199465.325•根据Gibbs方程求算各浓度的吸附量T,并作出图，由直线斜率求其G ,并计算mol/LE、N(co-)0L图2乙醇浓度与表面张力图图3 C与C/「关系图G=l/k=l/1194.35二 8. 373*10-7M0L・M-gb = 1.984*10-18 M-2文献值表 1.浓度折射率关系图\浓度0510152025303540折光率\25 °C1.33261.33621.33981.34321.34651.34941.35201.35421.3564表 2.纯水温度与表面张力关系图t/CO /10(-3)N/m2571.973570.184568.74表 3.乙醇溶液浓度与表面张力关系W%O /10(-3)N/mW%O /10(-3)N/m0.0072.200.00071.232.7260.790.79266.085.2154.972.14361.5611.1046.034.99454.1520.5037.5310.3945.8830.4732.2517.2838.5440.0029.6325.0034.08六、思考题1、在测量中，如果抽气速度过快，对测量结果有何影响?答：本实验的关键在于控制抽气速率，气泡形成的速率应保持稳定，若抽气速率过快，气泡形成过快，使测量读数偏高，影响测量结果。

2、如果毛细管末端插入到溶液内部进行测量行吗?为什么?答：不行毛细管末端应与液体液面相切，而此时的压力才是大气压力若插入液面内部，压力将发生变化，导致测量结果不准确'七 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. 打开滴液漏斗的活塞时要求使气泡尽可能慢的鼓出4. 毛细管要求出泡均匀，内径不可太粗，否则误差太大毛细管头部必须平整。