实验二十表面张力的测定——最大气泡法

1、实验二十表面张力的测定最大气泡法一、实验目的1. 掌握最人气泡法测定表面张力的原理和技术。2. 通过对不同浓度正丁醇溶液表血张力的测定，加深对表面张力、表而自由能和表面吸 附量关系的理解。3. 学习用matlab处理实验数据。4. 使卅管理系统完成实验。二、实验原理图20-1分子间作用力示意图在液体的内部任何分了周i韦i的吸引力是平衡的。可是在液体表而层的分了却不相同。因为表 面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸 弓i,而且前者的作用要比示者人。因此在液体表而层屮，每个分了都受到垂肓于液而并指向 液休内部的不平衡力（如图201所示）。这种吸引力使表面

2、上的分子向内挤促成液体的最 小而积。要使液体的表面积增人就必须要反抗分了的内向力而作功增加分了的位能。所以说 分子在表面层比在液体内部有较人的位能，这位能就是表面自由能。通常把増人一平方米表 而所需的最人功a或增人一平方米所引起的表面h由能的变化值ag称为单位表面的表面 能其单位为丄m-3o而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力， 称为表而张力，其单位是。液体单位表而的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。 欲使液体表面积增加as时，所消耗的可逆功a为：-a =zg cjzxs液休的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临界温度时，液体与气体不分, 表而张力趋近于

3、零。液体的表而张力也与液体的纯度有关。在纯净的液体（溶剂）屮如果掺 进杂质（溶质），表面张力就耍发牛变化，其变化的人小决定于溶质的本性和加入量的多少。 当加入溶质示，溶剂的表而张力要发生变化。把溶质在表面层屮与木体溶液屮浓度不同的现 象称为溶液的表面吸附。使表面张力降低的物质称为表面活性物质。川吉布斯公式（gibbs） 表示：图20-2最大气泡法表面张力测定装置式屮： 为表面吸附ft（mol.m-2）,。为表面张力（jm2）。 表示在一定温度下表而张力 随浓度的改变率。bp：<o, r>o,溶质能降低溶剂的表面张力，溶液表而层的浓度人于内部的浓度，称为正吸附作 用。>o, r

4、<o,溶质能增加溶剂的表面张力，溶液表而层的浓度小于内部的浓度，称为负吸附作 用。由此，测定溶液的浓度和表面张力，可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。如图20-2是最人气泡法测定表面张力的装證示意。待测液体直于支管试管屮，使毛细管端 而与液而相切，液面随毛细管上升。打开滴液漏斗缓慢抽气。此时，由于毛细管液面所受压 力人于支管试管液面所受压力，毛细管液面不断卜降，将从毛细管缓慢析出气泡。在气泡形 成的过程屮，由于表而张力的作用，凹液而产生一个指向液而外的附加压力ap,因此有以 下关系：p人气二p系统+ap附加压力与表面张力成正比，与气泡的illi率半径r成反比。图 20-3气泡形成过程若毛

5、细管管径较小，则形成的气泡可视为球形。气泡刚形成时，由于表面几乎是平的，所以 illi率半径r极人；当气泡形成半球形时，illi率半径r等于毛细管半径，此时r值最小。 随着气泡的进一步增人，r又趋增人，直至逸出液而。r二r时，附加压力最人： 最大附加压力由数字微压差计或u型管压差计读出。用数字微压罢可以肓接读出压差的值(pa),体系的导气管接数字微压差计的负压口(l), 正压口(h)与大气相通。若用u型管压差计，压差则以厶人口表示。下式中，p为工作介 质密度，g为重力加速度，贝ij：apm =ahmpga= rahmpg在实验小，使用同一支毛细管和压差计，rpg为常数(仪器常数)，用k表示，即

6、： a=kahmo川已知表面张力的液体作为标准，町以测得仪器常数k,也可以测定具它求知液体的表面张 力。吸附量与浓度之间的关系可以用langmuir等温吸附方程式表示：(20-4)为饱和吸附量,k为经验常数。将上式整理得：(20-5)以c/8对c作图可得到一条直线，具斜率的倒数为8。如果以n代表1平方米表面层的分了数，则(20-6)式屮na为avogadro常数，则每个分了的截而积为:三、仪器和试剂悝温槽装置；滴液漏斗(250rnl) i个；毛细管(0.20,3mm) 1支；t形管1个；正丁醇(ar)；四、实验步骤1. 仪器常数的测定：(1) 仔细洗净支管试管与毛细管数字微压差计(或u型管压差

7、计)支管试管(p25x20cm)烧杯(250ml)重蒸饰水连接装直。(2) 加入适赧的重蒸镭水于支管试管屮，毛细管端而与液面相切。怛温(2000 20分钟。(3) 打开滴液漏斗缓慢抽气，使气泡从毛细管缓慢逸出，调节逸出气泡每分钟20个左右。读出压差计最人高度差，读3次，取平均值。2. 待测样品表面张力的测定:配制从0.020.80mol.l-1系列(0.025, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20,0.25, 0.30, 0.40,0.60,0.80)的正丁醇溶液。(正丁醇 p=0.8109)可先配制 0.80mol/l 的溶 液，具它的浓度用稀释的办法配制。3. 用待遇测溶液洗净支

8、管试管和毛细管示，方法同1,装入待测样品，测定气泡缓慢逸出时的最大压差。五、数据记录与处理 由于需要在实验数据绘制的illi线图上作切线，求斜率，手工作图将会有很大的随意性并带來 谋差，因此应该用计算机处理数据。用matlab处理实验数据的方法见ii部分第一章第6 节有关内容。以下是手工处理数据的步骤：1 计算仪器常数并计算溶液的表面张力。2. 以浓度c为横坐标，以o为纵坐标作图，横坐标从0开始，连成光滑曲线。3. 在曲线上取若干（0.03, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.30, 0.40, 0.60 ）点,求其斜率。m =结果正确的关键在于illi线光滑和切线的确定。如

9、是手工处理，画切线可采用镜面反射法（图20-4） o4. 根据吉布斯方程求吸附量。图204作图求示意5. 表列出c、c/的对应数据。6. 以c/r对c作图，从肓线的斜率求出并计算出正丁醇分子的截面积a-o六、注意事项1. 测定时毛细管及支管试管应洗涤干净，否则气泡不能连续形成，而影响最人压差的测量。2 测定时毛细管端刚好和溶液面相切。3. u形压力计应选用酒精或水压计。4. 控制好滴液漏斗的放液速度，以利于读数的准确性。5. 数字微压差仪的测压接口在仪器后的面板上。使用时，先将仪器按要求连接在实验系统 上（注意实验系统不能漏气），再打开电源预热10min,即可进行测呆。仪器上显示的数字 即为实

10、验系统与人气压之间的压差值七、思考题1. 表面张力为什么必须在恒温槽屮进行测定，温度变化对表面张力有何影响，为什么，2. 实验如用u型管压差计，工作液应选什么为宜？3. 川最人气泡法测量表面张力时为什么要读最人压差？4 滴液漏斗的放液速度对木实验有何影响？八、使用管理系统木实验屮压差测蜃采用微压差计，通过串口与计算机通讯。k压差测量（图205）首先进行仪器常数测定。准备好实验，精密压弟仪置0,开始减压麻，点击序号“1”，系统开 始记录。记录3分钟完成。再进行第2、3次测定，最后求“平均”、“保存数据”。如果实验失败，选择“放弃”。图20-6仪器常数与表面张力确定图205压差测量未知试样测定与仪

11、器常数测定类似。2、数据处理（1）仪器常数与表面张力确定（图206）确认实验人，“调入数据”。确认有关仪器常数数据，计算出仪器帘数。提供计算表达式后，“计算”出未知试样的表面张 力,“保存/退出”。（2）拟合函数选择木实验需要从表而张力与浓度的关系得岀表而吸附量与浓度的关系，系统采用多项式拟合出 适当的函数关系，然后计算指定浓度的导数的值，使结果更具有客观性，同时学牛对非线性 拟合也有了更形象的了解。系统（图207）提供了几种拟合方式：oc、chnc、osqrt（c）。 选择一种方式，输入拟合阶数，点击“拟合”。系统自动进行拟合，并显示拟合的结果。根据 图形很容易判断拟合的效果。如果不满意，可

12、以重新选择条件，再进行拟合。满意后，点击 “确认”。图20-7多项式拟合图20-8吸附量与浓度关系学生需根据拟合的结果，写出拟合多项式。根据吉布斯吸附等温式和拟合多项式，捉供计算吸附量的表达式，点击“斜率计算”，系统自 动计算，并进入吸附量界而，显示斜率和吸附量的计算结果，并给出吸附量与浓度关系图（图 20-8） o确定最人吸附量的数值，并需要提供计算溶质分了截而积的计算式。九、进一步考虑的问题一般教科书都用上式来分析一c的关系，并将e称为饱和吸附量。但是，表而吸附量 的概念是一种表面超量（表面过剩），是指单位面积的表层屮所含溶质的量与具有相同质量溶 剂的木体溶液屮所含溶质的量之并。因此从表面超量角度理解，当浓度较低时，由于溶质（具 表面活性）优先排布在溶液表面层，使随浓度增加而增加。当浓度增大到一定值后，再增 加溶质浓度，必定使溶质在表而层的浓度与在体相屮的浓度之差越来越小，肓到浓度无限人 时，这个差值为零。因此吸附量达到极人值后，会逐渐减少，直到8 = 0。显然上式没 有体现这一特征。参考文献1. w j. popiel. laboratory manual of