实验17液体表面张力的测定dyl一

1、物理化学实验备课材料实验 17 液体外表张力的测定一、根本介绍液体的外表张力就是指液体与它的蒸气成平衡时体系的界面张力。 液体 外表张力常常就是在空气中测定的。 当气相就是一个处于低压或中压的惰性 气体时 ,一般液体外表张力值与气相的组成几乎无关。液体的外表张力,源于液体相界面分子受力不平衡，意为相外表的单位长度收缩力，用“d"表示，其单 位就是焦耳/平方米(Jm-2)或牛/米(N m-1)、液体外表张力的测定，不仅可以加 深对外表张力这一物系热力学性质的认识 ,而且可以研究外表活性剂的外表 活性、分子的横截面积、分子长度等。二、实验目的 1、掌握最大气泡法测定外表张力的原理 ,了解

2、影响外表张力测 定的因素。2、测定不同浓度正丁醇溶液的外表张力 ,计算吸附量 , 由外表张力的实验数据求分子的截面积及吸附层的厚度 三、实验原理1、溶液中的外表吸附从热力学观点来瞧 ,液体外表缩小就是一个自发过程 ,这就是使体系总自 由能减小的过程，欲使液体产生新的外表 从,就需对其做功，其大小应与AA成 正比:W'=如果AA为1m2，那么-W'= c就是在恒温恒压下形成1m2新外表所需的可 逆功，所以c称为比外表吉布斯自由能，其单位为Jm-2。也可将c瞧作为作用 在界面上每单位长度边缘上的力，称为外表张力，其单位就是Nm-1。在定温下 纯液体的外表张力为定值 ,当参加溶质形成

3、溶液时 ,外表张力发生变化 ,其变化 的大小决定于溶质的性质与参加量的多少。 根据能量最低原理 ,溶质能降低溶 剂的外表张力时 ,外表层中溶质的浓度比溶液内部大 ;反之,溶质使溶剂的外表 张力升高时 ,它在外表层中的浓度比在内部的浓度低 ,这种外表浓度与内部浓 度不同的现象叫做溶液的外表吸附。 在指定的温度与压力下 ,溶质的吸附量与溶液的外表张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程:RT dC t式中，r为溶质在表层的吸附量；c为外表张力；c为吸附到达平衡时溶质 在介质中的浓度。当v 0时，r>0称为正吸附；当 J >0时，rv0称为负吸附。dC TdC T吉布斯

4、吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。引起溶剂外表张力显著降低的物质叫外表活性物质，被吸附的外表活性物质分子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图2-26-1瞧 出。图2-26-1中(1)与(2)就是不饱与层中分子的排列，(3)就是饱与层分子的排 列。当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度 足够大时,被吸附分子盖住了。所有界面的位置，形成饱与吸附层,分子排列方式如图2-26-1(3)所示。这 样的吸附层就是单分子层，随着外表活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，尸f(C)(外表张那么此界面的外表张力也就逐渐减小。如果在恒温下绘成曲线 力等温线，

5、当C增加时卫在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至C的变化很小，这时C的数值恒定为某一常数见图2-26-2。利用图解法进行计 算十分方便，如图2-26-2所示，经过切点a作平行于横坐标的直线，交纵坐标于b点。以Z表示切线与平行线在纵坐标上截距间的距离，显然Z的长度等于C dC TdZdC t Cd dCC dZRT dC T RT以不同的浓度对其相应的 r可作出曲线,r= fC称为吸附等温线。根据朗格谬尔Langmuir公式:1 kC b -一一 _11亡上-_ 孑 Q图1被吸附的分子在界面上的排列图图2外表张力与浓度关系图0)r为饱与吸附量，即外表被吸附物铺满一层分子时的rCkC 1

6、C 15 rkr rkr'以c/ r对c作图,得一直线，该直线的斜率为1/r。由所求得的r代入可求得被吸附分子的截面积 So=1/“N N为阿佛加 得罗常数o假设溶质的密度p分子量M,就可计算出吸附层厚度 sr M2、最大气泡法测外表张力用最大泡压法测外表张力方法如下：测定液体外表张力的方法很多，如毛 细管升高法、滴重法、环法、滴外形法等等。本实验采用最大泡压法 ，实验装 置如图一所示。图3中A为充满水的抽气瓶;B为直径为0、20、3mm的毛细管;C为 样品管;D为U型压力计，内装水以测压差;E为放空管;F为恒温槽。图3最大泡压法测液体外表张力仪器装置图将毛细管竖直放置，使滴口瓶面与液

7、面相切，液体即沿毛细管上升，翻开抽 气瓶的活栓，让水缓缓滴下，使样品管中液面上的压力渐小于毛细管内液体上的压力即室压,毛细管内外液面形成一压差，此时毛细管内气体将液体压出 在管口形成气泡并逐渐胀大，当压力差在毛细管口所产生的作用力稍大于毛 细管口液体的外表张力时，气泡破裂,压差的最大值可由U型压力计上读出 假设毛细管的半径为r,气泡从毛细管出来时受到向下的压力为：P max P大气P系统 h g式中,为U型压力计所示最大液柱高度差,g为重力加速度,p为压力计 所贮液体的密度。气泡在毛细管口所受到的由外表张力引起的作用力为2冗r?丫,气泡刚脱离管口时，上述二力相等：rr2pmax r2 h g

8、2 r2 2r Pmaxr h g 2 rr-h g假设将外表张力分别为与的两种液体用同一支毛细管与压力计用上法测出各自的与，那么有如下关系：12h2即 1 J K 0h2对同一支毛细管来说,K值为一常数，其值可借一外表张力的液体标定。本实验用纯水作为基准物质，20、0C时纯水的外表张力为7、275X10-2N/m或 J/m2。四、仪器与试剂外表张力测定装置包括恒温槽1套;容量瓶100ml1个,50ml5个;1ml刻度移液管1支;吸耳球1个;正丁醇二级；去离子水。五、实验步骤1、溶液配制按表分2次配制9份溶液，第一次15号，第二次配制69号 表-正丁醇外表张力测定溶液配制方法样品号数01234

9、5678溶液浓度00、020、050、10150、20、250、30、52、仪器准备与检漏将外表张力仪容器与毛细管先用洗液洗净，再顺次用自来水与蒸馏水漂 洗，烘干后按图2-26-3按好。将水注入抽气管中。在A管中用移液管注入50mL蒸馏水，用吸耳球由G 处抽气，调节液面，使之恰好与细口管尖端相切。然后关紧G处活塞，再翻开活 塞H,这时管B中水流出，使体系内的压力降低，当压力计中液面指示出假设干厘 米的压差时，关闭H,停止抽气。假设2min3min内,压力计液面高度差不变，那么 说明体系不漏气，可以进行实验。3、测定毛细管常数样品管内置蒸馏水，毛细管竖直放置，毛细管口与液面相切。开 H对体系 抽

10、气,调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间 为10s20s数显微压差测量仪为5s10s。假设形成时间太短，那么吸附平衡就 来不及在气泡外表建立起来，测得的外表张力也不能反映该浓度之真正的表 面张力值。当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液面差到达最大值，记录压力计两边最高与最低读数，连续读取三次，取其平均值。再由手册中，查出实验 温度时，水的外表张力q那么毛细管常数K值水P最大4、外表张力随溶液浓度变化的测定在上述体系中，用移液管移入0、100mL正丁醇，用吸耳球打气数次注意 打气时，务必使体系成为敞开体系。否那么,压力计中的液体将会被吹出，使溶液浓度均匀，然后调节液面

11、与毛细管端相切，用测定仪器常数的方法测定压力计 的压力差。然后依次参加正丁醇溶液，测量顺序由稀到浓，每次测量前用样品冲洗样品管与毛细管数次。六、数据记录计算各浓度正丁醇溶液的外表张力，并作Y-C曲线。1原始数据:样品号数溶液浓度c(mol/L)h2h110123456782、计算外表张力毛细管常数Kt=20、9°C, YH2O)=72、5X10-3N/m1= 26mm,由公式 丫 (H2O)= K得 K = 2、7885 N/m2。3、求 丫，r与c/r。样品号浓度c(mol/L)丫( x10-3N/m)r ( x10-6mol/m2)c/ r ( x10yg rc, c-c/r 曲

12、线。 计算分子面积A。七、实验考前须知1溶液的外表张力受活性杂质一些有机物影响很大，为此必须保证所用样品乙醇与蒸馏水的纯度与仪器的清洁，滴定管与外表张力仪的活塞最m2/L)10、0220、0530、1040、1550、2060、2570、3080、50好不要涂凡士林油2、配制完的溶液需摇晃使之与水混合均匀。 U型管压力计中的水量以 整个高度的一半为宜。每次测定前，用待测液认真清洗样品管与毛细管毛细 管的清洗需借助于吸耳球，安装毛细管时要垂直并与液面刚好相切，气泡逸出 速率尽可能缓慢，以每分钟不超过40个为宜。读取压力计的压差时，应取气泡 连续单个逸出时的最大压力差。3、测定过程中有时会出现毛细

13、管不冒泡的情况，首先检查装置就是否漏 气与减压管中的水就是否足量，其次再用吸耳球检查毛细管就是否被固体堵 塞,否那么多半就是被油脂等污染，需用丙酮或其它有机溶剂清洗干净。4、测定时要注意保持恒温，各样品均要在恒温槽中恒温后才能测定。八、 思考题1、用最大气泡法测定外表张力时为什么要读取最大压力差？答:根据本实验的原理可知，测量过程中读取的压力差即就是毛细管逸出 气泡的附加压力®号二卸很二戸曲即疋越小护越大。当左等于毛细管 半径尸时，丘取得最小值,而压力差取最大值山劣。本实验正就是利用'_ 进行测定液体外表张力尸。2、为什么玻璃毛细管一定要与液面刚好相切，如果毛细管插入一定深度

14、对测定结果有何影响？答:如果毛细管尖端插入液下，会造成压力不只就是液体外表的张力，还有局部插入液体的压力。毛细管的管口与液面刚好相切时，平衡时所满足的关系就是:假设毛细管插入一定深度设距液面深度为并,那么气泡逸出时还需克服此深度*的静压力P映卩为待测液的密度。因此平衡时满足的关系式变殳+ 0诙=您朋 为:'假设假设Q P ,那么产生最大泡压时,满足：空5k J此测量的山比正常情况下的最大压力差大h，3、测量过程中如果气泡逸出速率较快，对实验有无影响？为什么?答:测量过程中如果气泡逸出速率较快，对实验结果有影响。因为最大气泡压力法测量外表张力实验原理成立的先决条件就是必须满足平衡条件的要

15、求，这样才能有：'公式的成立，如果气泡逸出速率很慢，可 以认为接近平衡；如果气泡逸出速率快，平衡关系被破坏。4、在本实验装置中，液体压力计内的介质就是水，选用水银就是否可以?答:液体压力计内的介质不能选用水银。因为水银的密度远大于水的密-他齿鼻血度。根据：厂一式可知,选用水银作压力计的介质时 綁的数值将会很小难于精确测量。另外飞微小的读数误差会产生很大的实验误差。5、为何毛细管的尖端要平整？选择毛细管直径大小时应注意什么？答:毛细管的尖端要平整可以保证气流流畅，压力不受阻。毛细管直径太小，压差不明显。相反压差太大，压差计读数不准。九、文献值Na=6、02X1023YH2O)=72、5X

16、l0-3N/m十、预备实验结果1、原始数据:样品号数溶液浓度c(mol/L)h2hl10088622610、0288632520、0587642330、1086652140、1585661950、2085671860、258467、516、570、3083、56815、580、508269132、计算外表张力毛细管常数Kt=20、9°C, YH2O)=72、5XlO-3N/m= 26mm,由公式 y(H2O)= K得 K = 2、7885 N/m2。3、求 y, r与c/r0BO浓度 c(mol/L)YX10-3N/m)-62r X106mol/m2)42c/RX104m2/L)10

17、、0269、72、050、9820、0564、13、101、6130、105& 64、302、3340、1553、05、322、9250、204& 95、603、5760、2546、05、904、2470、3043、26、054、9680、5036、36、507、704、y-c, rc, c-c/r 曲线0.0 0.10.20.30.40.5c(mol/L)Lin ear Regressi on for Data1_C:Y = 0、8488 + 13、71XR = 0、99937K = 13、71 X104= 1、37X1055、计算分子面积A1、37X105= 1/ro, r

18、o= 7、3X10-6 mol/m2又 A = 1/& , Na=6、02X1023-192A = 2、282Xl019m2十、进一步讨论1、外表张力就是外表化学中一个十分重要的物理量，借此可以研究发生在两相之间的界面现象。利用最大气泡法测定外表张力就是由 Simon在1851 年首先提出的，就是测定外表张力的经典方法之一。本实验涉及了吉布斯吸附 等温式与弯曲外表附加压力等一些外表化学中的重要理论，而且操作迅速，形象直观，作为外表化学的根底实验就是一个较为理想的实验题目。根据毛细上升原理，只有在毛细管中呈凹形的液体才能沿管壁上升，并随管内外压力差逐渐增大而形成气泡逸出，因此最大气泡法只

19、适用于测定对管壁润湿的液体。.式在推导中假设逸出的气泡成半球形，与实际情况 有出入，对于精确的测量要经过校正，假设采用内径较小的毛细管，那么气泡的形状 与球形相差甚微，可不必进行复杂的校正计算。另外本实验以浓度代替活度利 用吉布斯吸附等温式求算外表吸附量r，这种计算仅对非离子型溶质如乙醇、 正丁醇等近似成立，对浓度较大的离子型溶质并不适用。在本实验所测定的浓度范围内，乙醇溶液的外表张力丫与浓度c的等温曲 线较好地符合希什科夫斯基Szkszkowski经验式："% Wig 1 +牛式中b为常数，同系物的b值相同;K就是与物质本性有关的常数对乙醇水溶液，b = 0、515,K=2、655浓度以质量分数计算时，对上式求导,代入吉布斯吸附等温式整理可得r _占兀獰带r 咯此式与朗格缪尔等温方程形式相同，即"2.303尸h因此乙醇水溶液匸=S.SOxlOniol -m"3S= 2、55X10-20 m2,分子长度 3= 3、71X10-10m。此结果与文献值吻合。为使测量时有较大的 hm以减少读数误差,根据 亠式可知，