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1、最大气泡法测定溶液的表面张力 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望目的要求目的要求 1. 测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力,计算表面吸计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。附量和乙醇分子的横截面积。 2. 了解表面张力的性质了解表面张力的性质,表面自由能的意义以及表表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系。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。掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术。基本原
2、理基本原理 1. 表面自由能表面自由能 物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面层分子受到向内物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面层分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如果把一个分子由的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成都恒定时，可逆地使表面增加都恒定时，可逆地使表面增加S所需对体系做的功，叫表面功，所需对体系做的功，叫表面功，可表示为：可表示为： -A=G=S称为表面自由能，单位为称为表面自由能，单位为J/m2。若把。若把看作为作用在界面
3、上每看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。 2. 溶液的表面吸附溶液的表面吸附 在指定的温度和压力下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溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度有关的浓度有关,从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯吸附从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯吸附方程方程: 根据能量最低原则根据能量最低原则,溶质能降低溶剂的表面张力时溶质能降低溶剂的表面张力时,表面层溶质的表面层溶质的浓度比溶液内部大浓度比溶液内部大;反之反之,溶质使溶剂的表面张力升高时溶质使溶剂的表面张力升高时,表面层中表面层中的浓
4、度比内部的低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象的浓度比内部的低。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。叫做溶液的表面吸附。 为表面吸附量为表面吸附量(单位单位:molm-2 );T为热力学温度为热力学温度(单位单位:K);C为稀为稀溶液浓度溶液浓度(单位单位:moldm-3 );R为气体常数。为气体常数。 TdCdRTC)( 0, 0 则则dCd 称为负吸附称为负吸附; 0, 0 则则dCd 称为正吸附称为正吸附; 在在-C曲线上任选一点曲线上任选一点i作切线作切线,即可得该点所对应浓度即可得该点所对应浓度Ci 的斜率，的斜率， 再由上式可求得不同浓度下的再由上式可求得不
5、同浓度下的值。值。 乙醇是表面活性物质乙醇是表面活性物质,能降低溶剂的表面张力能降低溶剂的表面张力,它们在水溶液表面它们在水溶液表面的排列情况随浓度不同而异的排列情况随浓度不同而异:当浓度小时当浓度小时,分子可以平躺在表面上分子可以平躺在表面上;浓度增大时浓度增大时,分子的极性基团取向溶剂内部分子的极性基团取向溶剂内部,而非极性基团基本上而非极性基团基本上取向空间取向空间;当浓度增大到一定程度时当浓度增大到一定程度时,溶质分子占据了所有表面溶质分子占据了所有表面,就就形成饱和吸附层。形成饱和吸附层。 以表面张力对浓度作图以表面张力对浓度作图,可得到可得到-C曲线曲线,从图中可以看出从图中可以看
6、出,在开始在开始时时随浓度的增加而迅速下降随浓度的增加而迅速下降,以后的变化比较缓慢。以后的变化比较缓慢。TdCd)( 式中式中: 是饱和吸附量，是饱和吸附量，K是常数，将上式取倒数可得是常数，将上式取倒数可得:3. 饱和吸附与溶质分子的横截面积饱和吸附与溶质分子的横截面积在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温等温式表示：式表示：KCKC 1KCCC 1 作作(C/)-C图图,直线斜率的倒数即为直线斜率的倒数即为 。 如果以如果以N代表代表1m2 表面上溶质的分子数表面上溶质的分子数,则有则有:N= L 因此因此,若若 测得
7、不同浓度下溶液的表面张力测得不同浓度下溶液的表面张力,从从-C曲线上求出不同曲线上求出不同浓度的吸附量浓度的吸附量,再从再从(C/)-C直线上求出直线上求出 ,便可以计算出溶质便可以计算出溶质分子的横截面积分子的横截面积B 。 可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积: = 1/( ) 4. 最大气泡法最大气泡法Pmax =Pr =P0 -Pr =2/r 将被测液体装于测定管中将被测液体装于测定管中,使玻璃管下端毛细管面与液面相切使玻璃管下端毛细管面与液面相切,液面液面沿毛细管上升沿毛细管上升,打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气,测
8、定管中的压力测定管中的压力P逐渐减小逐渐减小,毛细管压力毛细管压力P0 就会将管中液面压至管口就会将管中液面压至管口,形成气泡形成气泡,其曲其曲率半径由大而小率半径由大而小,直至恰好等于毛细管半径时直至恰好等于毛细管半径时,根据拉普拉斯公式根据拉普拉斯公式,这时能承受的压力差也最大这时能承受的压力差也最大: 则则=(r/2)gh=Kh 最大压力差可用最大压力差可用U型压力计中最大液柱差型压力计中最大液柱差h来表示来表示:Pmax =g K为仪器常数为仪器常数,可以用已知表面张力的物质测定。可以用已知表面张力的物质测定。 仪器与试剂仪器与试剂 恒温装置恒温装置 一套一套烧杯（烧杯（25 ml）
9、一个一个带有支管的试管（附木塞）带有支管的试管（附木塞） 1支支毛细管（半径为毛细管（半径为0.15mm0.20mm)1根根容量瓶（容量瓶（50ml)8支支数字式微压差测量仪数字式微压差测量仪 1台台低真空测压低真空测压仪仪滴液漏斗滴液漏斗支管试管支管试管毛细管毛细管实验步骤实验步骤 1.安装仪器：洗净仪器并按图装置。对需干燥的仪器作干安装仪器：洗净仪器并按图装置。对需干燥的仪器作干燥处理。燥处理。 2.配置乙醇溶液：配置乙醇溶液：分别配制分别配制002mol/L，0.05molL，010molL，015molL，0.20molL，025molL，030mol/L，035mol/L乙醇溶液各乙
10、醇溶液各50mL。 3. 调节恒温为调节恒温为25。 4.仪器常数测定仪器常数测定 先以蒸馏水作为待测液测定其仪器常数。方法是将干燥的先以蒸馏水作为待测液测定其仪器常数。方法是将干燥的毛细管垂直地插到使毛细管的端点刚好与水面相切，打开毛细管垂直地插到使毛细管的端点刚好与水面相切，打开滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡，速度约滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡，速度约为为5s10s1个。在毛细管口气泡读出个。在毛细管口气泡读出U型管两边液面最大型管两边液面最大高度差高度差 可读三次，取其平均值。通过手册可读三次，取其平均值。通过手册 查出实查出实验温度时水的表面张力，利用公式验温
11、度时水的表面张力，利用公式 求出仪器常数求出仪器常数K。 maxh max/hK 5.待测样品表面张力的测定：用待测溶液洗净试管和毛待测样品表面张力的测定：用待测溶液洗净试管和毛细管，加入适量样品于试管中，按照仪器常数测定的方法，细管，加入适量样品于试管中，按照仪器常数测定的方法，测定不同待测样品的测定不同待测样品的 计算其表面张力计算其表面张力 。 maxh 6.乙醇溶液的折光率测定：用每个样品测出乙醇溶液的折光率测定：用每个样品测出 后，随后，随即用滴管吸取该溶液滴，置于棱镜上，用阿贝折光仪测其即用滴管吸取该溶液滴，置于棱镜上，用阿贝折光仪测其折光率折光率nD查工作曲线得各样品的准确浓度。
12、查工作曲线得各样品的准确浓度。maxh 数据处理数据处理 1.由附录表中查出实验温度时水的表面张力，算出毛细管常数由附录表中查出实验温度时水的表面张力，算出毛细管常数K。 2.由实验结果计算各份溶液的表面张力由实验结果计算各份溶液的表面张力 ,并作并作 c曲线。曲线。3.在在 c曲线上分别在曲线上分别在0050mol/L，0100molL，0150molL，0200molL，0250molL和和0300molL处作切线，分别求出各浓度的处作切线，分别求出各浓度的 值，并计算在各相值，并计算在各相应浓度下的应浓度下的。 4. 用用c/ 对对c作图，应得一条直线，由直线斜率求出作图，应得一条直线，
13、由直线斜率求出 。Tdcd 实验注意事项实验注意事项 1.测定用的毛细管一定要洗干净，否则气泡可能不能连测定用的毛细管一定要洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地流过，而使压差计读数续稳定地流过，而使压差计读数I不稳定，如发生此种现不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。象，毛细管应重洗。 2.毛细管一定要保持垂直，管口刚好插到与液面接触。毛细管一定要保持垂直，管口刚好插到与液面接触。 3.杂质对的影响很大，配制溶液应使蒸馏水。杂质对的影响很大，配制溶液应使蒸馏水。4.应读出气泡单个逸出时的最大压力差。应读出气泡单个逸出时的最大压力差。5.与温度密切相关，应使表面张力仪浸入恒温槽的水中。与温度密切相
14、关，应使表面张力仪浸入恒温槽的水中。讨论讨论 1.若毛细管深入液面下若毛细管深入液面下Hcm，则生成的气泡受到大气压和的静，则生成的气泡受到大气压和的静液压。如能准确测知液压。如能准确测知H值，则根据值，则根据来测定值。但若使毛细管口与液面相切，则来测定值。但若使毛细管口与液面相切，则H0，消除了项，消除了项，但每次测定时总不可能都使但每次测定时总不可能都使H0，故单管式表面张力仪总会引，故单管式表面张力仪总会引入一定的误差。入一定的误差。2.测定表面张力的方法很多，如毛细管升高法、滴重（体积）测定表面张力的方法很多，如毛细管升高法、滴重（体积）法及圈环法等。法及圈环法等。)(2211gHppp 思考题思考题1.用最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差用最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差?2.如果毛细管末端插入溶液中进行测量行吗？为什么？如果毛细管末端插入溶液中进行测量行吗？为什么？3.本实验中为什么要读取最大压力差？本实验中为什么要读取最大压力差？