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1、宁波工程学院物理化学实验报告实验名称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、实验原理 1、表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。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之间的关系遵循吉布斯吸附等温式 c/RTd/dc 式中 为溶液在表层的吸附量 为表面张力 c 为吸附达到平衡时溶液在介质中的浓度。根据朗格谬尔 Langmuir 公式 Kc/1Kc 为饱和吸附量即表面被吸附物铺满一层分子时的 c/1Kc/K c/1
2、/K 以 c/对 c 作图则图中该直线斜率为 1/。由所得的 代入 Am1/L 可求被吸附分子的截面积 L 为阿伏伽德罗常数。2、本实验用气泡最大压力法测定溶液的表面张力其仪器装置如图 1 所示图 1、最大气泡压力法测量表面张力的装置示意图 1、恒温套管 2、毛细管 r 在 0.150.2mm3、U 型压力计内装水 4、分液漏斗 5、吸滤瓶 6、连接橡皮管。将待测表面张力的液体装于表面张力仪中使毛细管的端面与液面相切液面即沿毛细管上升打开抽气瓶的活塞缓缓抽气毛细管内的液面上受到一个比 A 瓶中液面上大的压力当此压力差附加压力PP 大气P 系统附加压力与表面张力成正比与气泡的曲率半径成反比其关系
3、式为 P2/R 式中 P 为附加压力 为表面张力 R 为气泡的曲率半径。根据上式 Rr 时的最大附加压力为 P 最大 2/r 实际测量时使毛细管端刚与液面接触则可忽略气泡鼓起所需克服的静压力这样就可以直接用上式进行计算。当将其它参数合并为常数 K 时则上式变为 K P 最大式中仪器常数 K 可用已知表面张力的标准物质测得。三、仪器药品 1、仪器最大泡压法表面张力仪 1 套洗耳球 1 个移液管 50ml 和 10ml各一支烧杯 500mL。2、药品正丁醇分析纯蒸馏水。四、实验步骤 1、仪器的准备与检漏将表面张力仪容器和毛细管先用洗液洗净再顺次用自来水和蒸馏水漂洗烘干后按图 5-9 接好检查是否漏
4、气。2、仪器常数的测定调节液面与毛细管相切并调节分液漏斗使气泡由毛细管尖端成单泡逸出且速度控制在每分钟形成气泡 510 个数显微压差测量仪为 510s 当气泡刚脱离管端的一瞬间压力计中液位差达到最大值当显示的最大值比较稳定时记下数据重复调节2 次并记下相应的数值。再由手册查出实验温度时水的表面张力求得仪器常数 K。3、表面张力随溶液浓度变化的测定在上述体系中按浓度从高到低的顺序依次测定预先配好的正丁醇溶液的P 最大值每次置换溶液前都先用溶液润洗 2 次再按 2 方法测定。五、实验数据记录及处理 1、实验数据的记录恒温槽温度室温大气压 水 25 26.5 99.66KPa 71.1810-3N.
5、m-1 c mol.dm-3 P 最大 P 最大 1 P 最大 2 P 最大 3 N/m molm-2 c/107 m-1 水 628.3 631 627 627 0.07118 0.02 610.0 610 610 610 0.06911 1.61210-6 1.241 0.04 561.7 561 561 563 0.06364 2.95310-6 1.355 0.06 538.3 540 538 737 0.06099 4.02210-6 1.492 0.08 510 510 510 510 0.05778 4.82010-6 1.660 0.10 490.7 490 490 492 0
6、.05560 5.34710-6 1.870 0.12 452.3 454 451 452 0.05125 5.60310-6 2.142 0.16 442.7 443 443 442 0.05016 5.30110-6 3.018 0.20 402 401 402 403 0.04555 3.91410-6 5.110 0.24 393.7 395 392 394 0.04461 1.44210-6 16.643 2、计算仪器常数 K 值 K p K 水/P 最大 0.07118/628.31.13310-4m 根据K值得到一组 值 K p 以 N/m-c mol.m-3作图如下:根据上图可
7、以得到-c 的关系式为 4.2020210-7c2-2.1659310-4c0.07251 由此得到 d/dc8.4040410-7c-2.1659310-4 其中 c 的单位为 mol.m-3 根据 c/RTd/dc 便可求出不同浓度下的 和 c/结果见上表 3、绘制-c 等温线通过公式 c/RT/d/dc 就得一组。以 10-6mol.m-2-c/mol.m-3 作图如下-c 等温线 4、计算 Am c/-c 等温线从图中得出斜率 1/5.298105 即 1.88810-6 molm-2 所以 Am1/L 1/1.88810-66.021023 8.79810-19 m2 六、注意事项
8、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.读取压力计的压差时应取单个逸出时的最大压力差。七、结果与讨论 1、这次的实验操作的步骤很简单就是实验量比较大数据比较容易产生误差。从得到的 c/-c等温线来看得到的数据不是很理想拟合出的直线不够精确。可能的原因有液面没有跟毛细管底部完全相切没有等到气泡稳定了再读数。2、本实验是通过测最大气泡来测定溶液的表面张力计算过程中巧妙地用求导的方法间接地来求出-c 的切线。所用的毛细管必须干净干燥应保持垂直其管口刚好与液面相切读取压力计的压差时应取气泡单个溢出时的最大压力差。3、使用的张力管及毛细管的洗涤要彻底。如果毛
9、细管洗涤不干净不仅影响表面张力值而且会使气泡不能有规律地单个连续逸出。毛细管插入溶液中的深度直接影响测量结果的准确性这是因为溶液的静压力会增加对气泡壁的压强为了减少静压力的影响应尽可能减少毛细管的插入和深度使插入深度与液面刚好相切。八、思考题 1.毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切否则对实验有何影响答如果将毛细管末端插入到溶液内部毛细管内会有一段水柱产生压力 P则测定管中的压力 Pr 会变小pmax 会变大测量结果偏大。2.最大气泡法测定表面张力时为什么要读取最大压力差如果气泡逸出的很快活几个气泡一齐出对实验结果有无影响答如果毛细管半径很小则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时表面几乎是平的这时曲率半径最大随着气泡的形成曲率半径逐渐变小直到形成半球形这时曲率半径 R 和毛细管半径 r 相等曲率半径达最小值根据拉普拉斯 Laplace 公式此时能承受的压力差为最大pmax p0-pr 2/。气泡进一步长大 R 变大附加压力则变小直到气泡逸出。最大压力差可通过数字式微压差测量仪得到。如气泡逸出速度速度太快气泡的形成与逸出速度快而不稳定致使压力计的读数不稳定不易观察出其最高点而起到较大的误差。