实验十一最大气泡法测定溶液的表面张力

1、实验十一 最大气泡法测定溶液的表面张力11.1实验目的11.1.1 测定不同浓度正丁醇水溶液的表面张力， 计算表面吸附量和正丁醇分子的横 截面积；11.1.2了解表面张力的性质，表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系；11.1.3 掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。11.2实验原理11.2.1表面自由能 物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面分子受到向内的拉力，所以 液体表面都有自动缩小趋势。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、压力和组成恒定时，可逆地使表面增加 dA 所需做的功，叫表 面功，可表示为：-WV = odA(11.1)式中，o为比例常数。

2、o在数值上等于当T、p和组成恒定的条件下增加单位表面积时所必须对体系 做的可逆非膨胀功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。环境 对体系作的表面功转变为表面层分子比内部分子多余的自由能。因此，o称为表面自由能，其单位是J- m-2。若把o看作为作用于每单位长度边缘上的力，通常称为 表面张力。从另外一方面考虑表面现象， 特别是观察气液界面的一些现象，可以觉察到 表面上处处存在着一种张力，它力图缩小表面积，此力称为表面张力，其单位是 N - m-1。表面张力是液体的搬弄是重要特性之一。与所处的温度、压力、浓度以及 共存的另一相的组成有关。纯液体的表面张力通常是指该液体与饱和了其本身蒸

3、气的空气共存的情况而言。11.2.2溶液的表面吸附 纯液体表面层的组成与内部组成层相同，因此，液体降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液则由于溶质会影响表面张力，因此可 以调节溶质在表面的浓度来降低表面自由能。根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度应 比溶液的内部来得大；反之溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度 比在内部的浓度来得低，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。从热力学方法可知它们之间的关系遵守 Gibbs吸附方程：(11.2)式中:RTr表面吸附量(mol m-2 )(T溶液表面张力(N m-1)T热力学温

4、度(K)c溶液浓度(mol m-3 )R 气体常数(8.3145J K-1. mol-1)以表面张力T对溶液浓度c作图，可得到c c曲线，在c c曲线上任选一一 点I作切线，即可得该点所对应浓度 ci的斜率(d Tdci)T，可求得不同浓度下的r值 和得出I c的关系图。在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由式中:Kc1 KcLan gmuir等温式表示：(11.3)艮一表面饱和吸附量(mol m-2 )K 经验常数(与溶质的表面活性大小有关)将(11.3)式转化成直线方程为：c c 1r r k r若以c/rc作图可得一直线，由直线斜率可求出R(11.4)假若在饱和吸附的情况下，在气液

5、界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得被测物质的分子横截面积So：(11.5)式中N为阿佛加德罗常数(6.022x 1023mol-1) 11.2.3最大泡压法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相切，液面沿毛 细管上升。打开分液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而减少系统压力。这样毛细管内 液面受到一比试管中液面上大的压力，当此压力差在毛细管端面上产生的作用力 大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出，这一最大压力差可由 数字式微压差测量仪读出。其关系式为：pmax= p 大气-p 系统=p(11.6)最丸气泡法测定表面张力的装置團L燒杯；2.旖液屏斗：左数字武黴压差测量仪：

6、乩恒温装置帶育立营的谊肯；毛细営如果毛细管半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总压力为n2pmax。气泡在毛细管受到的表面张力引起的作用力为2n Ob刚发生气泡自毛细管逸出时，上述两力相等，即：n2pmax= n2 p =2 n o(11.7)(=r p /2(11.8)若用同一根毛细管，对两种具有表面张力为O和O的液体而言，则有下列关系：o= o p1/ p2=K p1(11.9)式中K为仪器常数。11.3实验仪器和试剂恒温装置1套带有支管的试管(附木塞)1支毛细管(半径为0.150.02mm)1根容量瓶(50mL)8只数字式微压差测量仪1台烧杯(200mL)1只洗耳球1个移液管1支滴管

7、1支正丁醇(分析纯)10.4 实验步骤11.4.1将仪器洗涤干净并按图U -11-1装置。对需干燥的仪器作干燥处理。1142调节恒温为30C。1 1 .4.3正丁醇溶液配制：分别准确配制 0.02、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、 0.35mol.dm-3正丁醇溶液各100mL。(注：纯正丁醇的加入量分别为：0.1482、0.3706、 0.7412、1.1118 1.4812、1.8530、2.2236、2.5942g,加水至近 100mL，在 30C恒 温15min,用30C恒温的蒸馏水加至100.00mL刻度)。11.4.4仪器常数测定： 先以蒸馏水作为待测液

8、测定其仪器常数。 方法是在测定管中 注入蒸馏水，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，置于 恒温水浴内恒温10min。注意使毛细管保持垂直并注意液面位置， 然后按图U -11-1 接好系统。打开滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡速度约为 5s10s1 个。在毛细管口气泡逸出的瞬间最大压差约在700Pa800Pa左右(否则需调换毛细管)。通过手册查出实验温度时水的表面张力，利用公式 (11.9)，求出仪器常数 K。 11.4.5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，测定已知浓度的待测样品的压力差p ，代入公

9、式(1 1 .9)计算其表面张力。11.5实验注意事项11.5.1 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 差计读数不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。11.5.2毛细管一定要保持垂直，管口刚好与液面相切。11.5.3气泡形成速度应稳定； 在数字式微压差测量仪上， 应读出气泡单个逸出时的 最大压力差。11.6数据记录及处理（一）实验数据11.6.1正丁醇溶液的配制表1.正丁醇溶液的配制室温 25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa100ml容量瓶1#2#3#4#5#6#7#8#V正丁醇/ml0.20000.50001.0001.50

10、02.0002.5003.0003.500c 正丁醇=p正丁醇 V 正丁醇/M 正丁醇/(100 X10-3) /mol dm-3, M 正丁醇=74.12g mol-1, p正丁醇=0.8098g?dm-3c 正丁醇/mol dm-30.021850.054630.10930.16390.21850.27310.32780.382411.6.2仪器常数的测定表2.仪器常数的测定室温 25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa待测物质PH2O /Pa(T/N m-1仪器常数K/N m-1 Pa-1123平均值H2O6936926926927.118 X0-29.452

11、9 X0-5计算公式： K= ho/ PH2O （N m-1 Pa-1）11.6.3正丁醇溶液表面张力的测定表3.正丁醇溶液表面张力的测定室温 25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa正丁醇浓度/mol m-3A p/PaT/N m-1123平均值21.856846826836830.0645654.636496506496490.06135109.35725745735730.05416163.95215215225210.04925218.54814804824810.04547273.14464464464460.04216327.84194204204200

12、.03970382.44034024024020.0380011.6.4作c图，求出曲线上不同浓度c点处的（？c）t,p，并计算相应浓度的 r0.0650.0600.05510.050(X0.0450.0400.035(T =0.06769-0.1362C+0.15426c2050100150200250300350400-3c/mol m图1.小关系曲线图曲线拟合方程：(= 0.06769-1.36212 W-4c+1.54201 10-7c2(N?n-1)(? *?c)t,p=-1.36212 W-4+2X1.54201 TO-7c(N?n2?nol-1)r= -c/8.3145/303.

13、15 d /dc(mol m-2)表3.正丁醇溶液表面张力的计算室温 25.00 C；实验温度30.00 C；大气压 96.18 kPa正丁醇浓度/mol m-3(T/N m-1-(? T?c)t,p /N m2 mol-1r/ mol m-2c/ r /m-150.000.0612612.1 X0-52.40 10-62.09 107100.00.0556110.5 X0-54.18 10-62.39 107150.00.050739.00 X0-55.35 10-62.80 107200.00.046627.45 10-5_65.91 10 63.38 107250.00.043275.9

14、1 10-55.86 10-64.26 107300.00.040704.37 10-55.20 10-65.77 107图2. c/rc关系直线图直线斜率 k=1/r=1.729X 105m2mol-1, r=5.784X 10-6 m-2 mol-111.6.5求乙醇分子的横截面积So。S0=1/L r=1.729X 105/(6.022X 1023)=0.287X 10-18m2=0.287 nm2 (二)实验数据11.5.1乙醇溶液的配制表1.乙醇溶液的配制室温 25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa容量瓶编号1#2#3#4#5#6#7#8#m乙醇/g4.

15、28878.914811.18418.02624.39630.18534.96544.389c 乙醇=m 乙醇/M 乙醇/(100x 10-3) /mol dm-3, M 乙醇=46.08g. mol-1c乙醇/mol dm-30.93091.93512.42763.91275.29546.55207.58959.635111.5.2仪器常数的测定表2.仪器常数的测定计算公式： K= 応0/ PH2O (N m-1 Pa-1)11.5.3乙醇溶液表面张力的测定表3.乙醇溶液表面张力的测定室温 25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa乙醇浓度/103mo|. m-3A

16、 p/PaT/N m-1123平均值0.93097927947937930.054381.93516726726726720.046082.42766356356356350.043543.91275355355355350.036695.29544744744744740.032506.55184364364364360.029907.58954174174174170.028609.63513853853853850.02640室温 25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa待测物质PH2O /Pa(T/N m-1仪器常数K/N m-1 Pa-1123平均值H2O

17、10381038103810387.118 X0-26.857 x 10-5911.5.4作c图，求出曲线上不同浓度c点处的(？c)t,p，并计算相应浓度的 r0.0650.0600.0551mNa0.0500.0450.040o=0.06769-0.1362 c+0.15426 C0.0350.00 0.050.10 0.15 0.200.25 0.30 0.35 0.40-3c/mol m图1. aC关系曲线图曲线拟合方程:(=0.06769-0.1362:+ 0.15426c2(? a?c)p=-0.1362+2 8.15426sr= -c/8.3145/303.15 d /dc(mol

18、 m-2)表3.乙醇溶液表面张力的计算室温 25.00 C；实验温度 30.00 C；大气压 96.18 kPa乙醇浓度/mol m-3a/N.m-1-(? a?c)T,p /N m2 mol-1r/ mol m-2c/ r /m-11.000 1030.0540811.31 10-54.487 10-62.228 1081.500 1030.049268.352 10-54.970 10-63.018 1082.000 1030.045606.540 10-55.189 10-63.854 1082.500 1030.042675.363 10-55.319 10-64.700 1083.000 1030.040234.546 10-55.411 10-65.544 1083.500 1030.038133.941 10-55.473 10-66.