溶液表面吸附的测量

1、北京理工大学物理化学实验报告溶液表面吸附的测量班级：09111101实验日期：2013-6-4一、实验目的1、掌握最大气泡压力法测定溶液表面张力的原理和方法。2、根据吉布斯（Gibbs）吸附方程式，计算溶质（乙醇）在单位溶液表面的吸附量，并作-c图。二、实验原理在定温下，纯物质液体的表面层与本体（内部）组成相同，根据能量最低原理，为降低体系的表面吉布斯自由能，将尽可能地收缩液体表面。对溶液则不同，加入溶质后，溶剂表面张力发生变化。根据能量最低原理，若溶质降低溶剂表面张力，c（表面层）> c（本体）；反之，若溶质升高表面张力，c（表面层）<c（本体）。溶质在溶液表面层与在溶液本体中浓

2、度不同的现象称为溶液的表面吸附，即溶液借助于表面吸附来降低表面吉布斯自由能。溶液表面吸附溶质的量与表面张力、浓度c有关，其关系符合Gibbs吸附方程 式中：吸附量；c溶液浓度；T温度；R气体常数；表面张力或表面吉布斯自由能。表示在一定温度下，表面张力随浓度的变化率。>0，称为正吸附。<0，称为负吸附。在一定温度下，测定不同浓度溶液的表面张力，以对c作图，求不同浓度时的值。由Gibbs吸附方程求各浓度下的吸附量。本实验采用最大气泡压力法测定液体表面张力。将待测液体装入表面张力仪中，使玻璃毛细管下端与液面相切，若液体能润湿管壁，则液体沿毛细管上升形成凹液面，其液面所受压力为大气压力P0

3、和附加压力P。根据拉普拉斯（Laplace）方程： 式中：r为弯曲液面曲率半径；为液体与气体表面（界面）张力。因是凹液面，弯曲液面的曲率半径r<0，P<0（指向大气）。图1 实验装置示意图当打开漏斗的活塞，让水缓慢滴入下面密封的加压瓶中，当此压力差在毛细管上面产生的作用稍大于毛细管口液体的表面张力所能产生的最大作用时，气泡就从毛细管口逸出。气泡逸出前能承受的最大压力差为Pmax。根据拉普拉斯方程，毛细管内凹液面的曲率半径等于毛细管的半径r时，能承受的压力差最大。则有 测定毛细管的半径r和Pmax即可求得液体表面张力。直接测定毛细管半径r容易带入较大的误差，可用同一支毛细管，在相同条

4、件下分别测出已知表面张力为1的参考液体的Pmax,1和待测液体的Pmax，由式得 由式可求出其它液体的表面张力。三、仪器和试剂微压差测量仪 表面张力测量玻璃仪器 恒温槽 容量瓶（50ml 8个） 烧杯 洗瓶 无水乙醇（分析纯）四、实验步骤1、溶液的配置使用0.00001g精度的电子天平称取无水乙醇到50mL容量瓶中，加水至刻度线。配置乙醇的物质的量浓度分别约为0.7、1.4、2.1、2.8、3.5、4.2、4.9、5.6mol/L的乙醇水溶液，编号标记为为0-8。2、温度设定1）、室温为26.2，设定恒温水槽的温度为30。2）、将装有各浓度乙醇水溶液的容量瓶放入恒温水槽中恒温。3、装置准备1）

5、、洗净表面张力仪，往其中加入适量去离子水，通恒温水10min以上，使去离子水恒温。2）、将毛细管与乳胶管断开，用洗耳球将毛细管内外处理干净，将毛细管放入表面张力仪。3）、调节表面张力仪的活塞，使得毛细管下端刚好与液面相切。4）、使微压差测量仪通大气，按“设置”键，然后将毛细管与乳胶管连接上。4、去离子水Pmax 的测定缓慢打开分液漏斗的活塞，使水缓慢滴下，毛细管上面压力逐渐增大。调节水滴下的速率，当毛细管下端每5-10s产生一个气泡时，记录下微压差测量仪上的最大值，即为Pmax值。读三次，记录时取平均值。5、各浓度乙醇溶液Pmax的测定1）、取出在恒温水槽中恒温的乙醇水溶液。2）、将表面张力仪

6、内的上组溶液排出，用待测组分溶液润洗表面张力仪2次。将毛细管与乳胶管断开，用洗耳球吹洗毛细管，将内外残留的上组溶液除净。3）、调节表面张力仪下方活塞，使得毛细管下端与液面相切。4）、待测液恒温3min后，如上述步骤测量Pmax。6、实验结束，收拾实验台。五、数据记录和处理1）、实验原始数据室温：26.2 恒温水温度：30。查表可知在30下，H2O=71.18mN·m-1实验原始数据如表1所示：表1 实验数据记录编号012345678预计浓度/（mol·dm-3）00.71.42.12.83.54.24.95.6乙醇质量/g01.6323.30785.08856.23988.

7、26289.573111.177312.9002溶液体积/ml50.00 50.00 50.00 50.00 50.00 50.00 50.00 50.00 浓度/(mol/dm-3)00.7085 1.436 2.209 2.709 3.587 4.156 4.852 5.600 P/Pa 第1次661630436520387440423395354P/Pa 第2次659629437522384437431399354P/Pa 第3次658633438520387439428401356平均P/Pa659 631 437 521 386 439 427 398 355 表面张力 /(mN/m

8、-1)71.1868.09 47.18 56.21 41.67 47.36 46.13 43.00 38.29 2、做-c 曲线如下：图2 表面张力与浓度图像从图像可以看出数据非常的散乱，而同组三位同学所得的数据呈现出下降趋势，并且下降得越来越慢。经过和老师的讨论可能的原因是微压差测量仪存在问题或者是所用毛细管破损以致气流不稳，示数起伏不定。故采用同组同学的数据，见表2。表2 同组同学实验数据记录编号012345678预计浓度/（mol·dm-3）00.71.42.12.83.54.24.95.6乙醇质量/g01.6323.30785.08856.23988.26289.573111

9、.177312.9002溶液体积/ml50.0050.0050.0050.0050.0050.0050.0050.00浓度/(mol/dm-3)00.70851.4362.2092.7093.5874.1564.8525.600P/Pa 第1次477390345316292262249231219P/Pa 第2次473386342315293265246230216P/Pa 第3次470392343316296262250231217平均P/Pa473389343316294263248231217表面张力 /(mN/m-1)71.1858.5951.6747.5044.1939.5837.3

10、734.7132.713、做-c 曲线并进行曲线拟合：图3 表面张力与浓度图像查阅相关文献1后采用指数拟合方式进行拟合，得到图4。图4 指数拟合4、求，并做c曲线。图6 拟合直线各浓度处切线画出拟合直线并作各个浓度处的切线如图5所示，求得切线的斜率，并根据Gibbs吸附方程，求不同浓度溶液的吸附量值见表3。图5 各浓度处切线图表3 拟合直线各切线斜率编号012345678浓度/(mol/dm-3)00.7085 1.436 2.209 2.709 3.587 4.156 4.852 5.600 斜率-24.894-12.303-6.951-5.61-5.5136-4.9397-4.0004-2

11、.8315-3.3456/(mol·m2)00.003390.005220.005970.006120.005790.005410.004870.00425图6 c曲线六、实验总结及误差分析1、溶液浓度引入误差：称量乙醇过程中虽然先在容量瓶中加入适量去离子水以防止乙醇的挥发，但乙醇的挥发是难以避免的，从而带来称量上的误差。配置的溶液体积较少，两组同学公用一组溶液，同时在装入溶液之前需要润洗表面张力仪，所以进行实验时所用溶液少，由于挥发、表面张力仪未洗干净带来的误差较大。2、毛细管与页面相切带来误差：不能保证每组实验操作时毛细管低端完全与液面相切，如果毛线管插入液面较大则读数偏大从来带来误差。 3、洗涤毛细管带来误差毛细管口径很小，在洗涤的时候很困难，这样毛细管内壁残留的物质会影响气流，造成了示数的波动从而带来了误差。4、产生气泡速率不同带来误差：实验中发现气泡的产生不完全是均匀的，并且速率不同微压差计读取的最大数值会有较大的偏差。因此通过调节漏斗，调节水滴滴下速率从而控制气泡的产生速率会带来一定得偏差。七、思考题1、实验前为什么一定要确保表面张力仪和玻璃毛细管的洁净？答：为了得到较高精度的最大压力差值Pmax。确保表面张力仪和玻璃毛细管的洁净是为了确保待测组分的溶液不引入杂质和保证浓度基