最大气泡法测定溶液表面张力-王强课件

气泡最大压力法测定溶液表面张力

王强qiangwang@兰州大学化学化工学院物理化学研究所气泡最大压力法测定溶液表面张力

王强1一、实验目的

1．掌握气泡最大压力法测定表面张力的原理和技术2.学习利用吉布斯吸附公式计算不同浓度下正丁醇溶液的表面吸附量3.求正丁醇分子截面积一、实验目的1．掌握气泡最大压力法测定表面张力的原理和技术2

表面张力（surfacetension）的形成

液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。二、实验原理I表面张力（surfacetension）的形成二、实验原3处于溶液表面的分子,受到不平衡的分子间力的作用而具有表面张力σ.(定义是在表面上垂直作用于单位长度上使表面积收缩的，单位是N·m-1).从另一角度，σ也可看做使体系增加单位表面积，外界必须对体系做的功。σ这时看做表面自由能，单位J/m2表面张力和表面自由能处于溶液表面的分子,受到不平衡的分子间力的作用而具有表面张力4通过滴水瓶滴水抽气使得体系压力下降，大气压与体系压力差△p逐渐把毛细管中的液面压至管口，形成气泡气泡最大压力法测定表面张力装置说明通过滴水瓶滴水抽气使得体系压力下降，大气压与体系压力差△p逐5半径为r的球形液珠，表面自由能为4πr2σ设半径减小dr,表面自由能减小8πrσdr。液珠收缩的趋势必为表面两边的压力差△

P所平衡，对抗此压力差做的功为△

P

4πr2dr。平衡时△

P

4πr2dr=8πrσdr，得△

P=2σ/r。对于曲面可推广为△

P=σ（1/r1+1/r2),称为Young-Laplace公式。Young-Laplace公式半径为r的球形液珠，表面自由能为4πr2σYoung-La6继续长大时，泡的半径又变大，泡内外压差下降，气流冲入泡内将其吹离管口。气泡最大压力法设毛细管半径r,知气泡压力最大时，P泡内-P泡外=△

Pmax=2σ/r式中k为仪器常数，通常用已知表面张力的物质确定。本实验用电导水确定k。开始形成的气泡逐渐长大，泡的曲率半径由大变小，泡内外压力差逐渐增加。当形成的气泡刚好是半球形时，曲率半径最小，泡内外压力差达到最大值。继续长大时，泡的半径又变大，泡内外压差下降，气流冲入泡内将其7

加入表面活性物质时溶液的表面张力会下降,溶质在表面的浓度大于其在本体的浓度,此现象称为表面吸附现象;单位溶液表面积上溶质的过剩量称为表面吸附量Γ.二、实验原理II*

加入表面活性物质时溶液的表面张力会下降,溶质在表面的浓度8对可形成单分子层吸附的表面活性物质，溶液的表面吸附量Γ与溶液本体浓度c之间的关系符合朗格谬尔吸附等温式:

Γ∞为单位溶液表面积上饱和吸附时溶质的物质的量其线性形式为*对可形成单分子层吸附的表面活性物质，溶液的9正丁醇分子截面积的求算方法Γ∞（mol/cm2)为饱和吸附时,单位溶液表面积上吸附的溶质的物质的量，则每个溶质分子在溶液表面上的吸附截面积为：式中L为阿伏加德罗常数。正丁醇分子截面积的求算方法Γ∞（mol/cm2)为饱和吸附时10由实验测出不同浓度c对应的表面张力s,利用计算机作s～c图，拟合曲线方程s=f（c）；求导得到ds/dc代入吉布斯方程可计算溶液表面吸附量Γ；再利用计算机作～ｃ图，拟合直线方程，由直线斜率可得饱和吸附量Γ∞=1/A.计算出横截面积A；由实验测出不同浓度c对应的表面张力s,11

恒温槽装置；数字式微压差计；下口瓶l个；表面张力测定仪烧杯（1000mL）；T形管1个；电导水；正丁醇（A.R.）及其不同浓度的标准溶液；三、仪器与试剂

恒温槽装置；数字式微压差计；三、仪器与试剂121．仪器常数的测定

将表面张力测定仪清洗干净。在干净的表面张力测定仪中装入电导水，使毛细管上端塞子塞紧时，毛细管刚好与液面垂直相切。抽气瓶装满水，连接好后旋开下端活塞使水缓慢滴出。控制流速使气泡从毛细管平稳脱出（每个气泡4-6秒），记录气泡脱出瞬间数字微压差计的最大数值，取三次并求平均值。四、实验步骤1．仪器常数的测定四、实验步骤132.测定正丁醇溶液的表面张力用同样的方法测定不同浓度的正丁醇溶液的最大压差，由稀到浓依次测定。每个浓度的溶液测量前，表面张力测定仪和毛细管一起用该溶液荡洗二至三次。每份溶液恒温至少3－5min之后，开始读数；3.重复测定电导水的数据。2.测定正丁醇溶液的表面张力14仪器系统不能漏气，检查。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的流过，而使压差计读数不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。毛细管端口一定要刚好垂直切入液面，不能离开液面，但亦不可深插。在数字式微压差测量仪上，应读出气泡单个逸出是的最大压力差。正丁醇溶液要准确配置，使用过程防止挥发损失。从毛细管口脱出气泡每次应为一个，即间断脱出。表面张力和温度有关，因此要等溶液恒温后再测量。实验步骤注意事项仪器系统不能漏气，检查。实验步骤注意事项15样品电导水0.01M0.025M0.05M0.1M0.15M0.2M0.25M最大压力差１２３平均(Nm1)Г(molm2)

室温

大气压

恒温槽温度

五、实验记录及数据处理

样品电导水0.01M0.025M0.05M0.1M0.15M161.查室温下水的表面张力s(H2O)

(２５℃,σH2O＝７１.９７dyn/cm)计算仪器常数：2.计算同温度下各溶液的表面张力:

3.作s-ｃ图；利用计算机拟合s-c关系式；五、实验记录及数据处理

Ory=a+b*ln(1+c*x)

1.查室温下水的表面张力s(H2O)(２５℃,σ174由吉布斯等温式计算各溶液的表面吸附量；式中:5作～ｃ图；确定饱和吸附量Γ∞

所以Γ∞=1/(L·Am)

注意：数据处理单位前后一致，否则会导致数量级错误！

***4由吉布斯等温式计算各溶液的表面吸附量；所以181、本实验结果的准确与否关键决定于哪些因素？2、毛细管内径均匀与否对结果有无影响？3、气泡如出的很快或连续3－4个一齐出，对结果各有什么影响？毛细管尖端为何要刚好接触液面？4、本实验s－c图形应该是一怎样的图形？将所得的结果与手册上查到结果进行比较试分析产生误差的原因。六、思考（P.128，1-4）1、本实验结果的准确与否关键决定于哪些因素？六、思考（P.191在Excel的工作表中输入数据并作计算；2作s－c图;(1)选取s－c数据,点击菜单,选择(2)按图表向导选择图表类型──不带线的x,y散点图(3)选取作图数据源;(4)对图表选项作相应选择;(5)选择图表位置──嵌入工作表.3添加趋势线并显示其公式;

(1)在图中的数据点上点击快捷菜单;

(2)选择添加趋势线;(3)由对话框上的标签,选择相应的趋势线类型:

*

对s～c数据,可选择“指数”型或“乘幂”型趋势线；

*

对～c数据,选择“线性”趋势线。(4)由对话框上的标签,选择显示公式及显示R(2)值.

附：EXCEL作图法1在Excel的工作表中输入数据并作计算；附：EXCEL20origin作图法运用origin拟合曲线方便、客观，避免了手工作图的人为误差origin绘图程序对该实验数据点进行2阶多项式拟合效果。拟合结果如下相应的拟合方程为：σ=A+B1*Ｃ+B2*Ｃ2；求该拟合方程的微分多项式得：＝B1+２B2*Ｃ将不同c值代入即可计算该浓度时的origin作图法运用origin拟合曲线方便、客观，避免了21例：origin作图法例：origin作图法22气泡最大压力法测定溶液表面张力

王强qiangwang@兰州大学化学化工学院物理化学研究所气泡最大压力法测定溶液表面张力

王强23一、实验目的

1．掌握气泡最大压力法测定表面张力的原理和技术2.学习利用吉布斯吸附公式计算不同浓度下正丁醇溶液的表面吸附量3.求正丁醇分子截面积一、实验目的1．掌握气泡最大压力法测定表面张力的原理和技术24

表面张力（surfacetension）的形成

液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。二、实验原理I表面张力（surfacetension）的形成二、实验原25处于溶液表面的分子,受到不平衡的分子间力的作用而具有表面张力σ.(定义是在表面上垂直作用于单位长度上使表面积收缩的，单位是N·m-1).从另一角度，σ也可看做使体系增加单位表面积，外界必须对体系做的功。σ这时看做表面自由能，单位J/m2表面张力和表面自由能处于溶液表面的分子,受到不平衡的分子间力的作用而具有表面张力26通过滴水瓶滴水抽气使得体系压力下降，大气压与体系压力差△p逐渐把毛细管中的液面压至管口，形成气泡气泡最大压力法测定表面张力装置说明通过滴水瓶滴水抽气使得体系压力下降，大气压与体系压力差△p逐27半径为r的球形液珠，表面自由能为4πr2σ设半径减小dr,表面自由能减小8πrσdr。液珠收缩的趋势必为表面两边的压力差△

P所平衡，对抗此压力差做的功为△

P

4πr2dr。平衡时△

P

4πr2dr=8πrσdr，得△

P=2σ/r。对于曲面可推广为△

P=σ（1/r1+1/r2),称为Young-Laplace公式。Young-Laplace公式半径为r的球形液珠，表面自由能为4πr2σYoung-La28继续长大时，泡的半径又变大，泡内外压差下降，气流冲入泡内将其吹离管口。气泡最大压力法设毛细管半径r,知气泡压力最大时，P泡内-P泡外=△

Pmax=2σ/r式中k为仪器常数，通常用已知表面张力的物质确定。本实验用电导水确定k。开始形成的气泡逐渐长大，泡的曲率半径由大变小，泡内外压力差逐渐增加。当形成的气泡刚好是半球形时，曲率半径最小，泡内外压力差达到最大值。继续长大时，泡的半径又变大，泡内外压差下降，气流冲入泡内将其29

加入表面活性物质时溶液的表面张力会下降,溶质在表面的浓度大于其在本体的浓度,此现象称为表面吸附现象;单位溶液表面积上溶质的过剩量称为表面吸附量Γ.二、实验原理II*

加入表面活性物质时溶液的表面张力会下降,溶质在表面的浓度30对可形成单分子层吸附的表面活性物质，溶液的表面吸附量Γ与溶液本体浓度c之间的关系符合朗格谬尔吸附等温式:

Γ∞为单位溶液表面积上饱和吸附时溶质的物质的量其线性形式为*对可形成单分子层吸附的表面活性物质，溶液的31正丁醇分子截面积的求算方法Γ∞（mol/cm2)为饱和吸附时,单位溶液表面积上吸附的溶质的物质的量，则每个溶质分子在溶液表面上的吸附截面积为：式中L为阿伏加德罗常数。正丁醇分子截面积的求算方法Γ∞（mol/cm2)为饱和吸附时32由实验测出不同浓度c对应的表面张力s,利用计算机作s～c图，拟合曲线方程s=f（c）；求导得到ds/dc代入吉布斯方程可计算溶液表面吸附量Γ；再利用计算机作～ｃ图，拟合直线方程，由直线斜率可得饱和吸附量Γ∞=1/A.计算出横截面积A；由实验测出不同浓度c对应的表面张力s,33

恒温槽装置；数字式微压差计；下口瓶l个；表面张力测定仪烧杯（1000mL）；T形管1个；电导水；正丁醇（A.R.）及其不同浓度的标准溶液；三、仪器与试剂

恒温槽装置；数字式微压差计；三、仪器与试剂341．仪器常数的测定

将表面张力测定仪清洗干净。在干净的表面张力测定仪中装入电导水，使毛细管上端塞子塞紧时，毛细管刚好与液面垂直相切。抽气瓶装满水，连接好后旋开下端活塞使水缓慢滴出。控制流速使气泡从毛细管平稳脱出（每个气泡4-6秒），记录气泡脱出瞬间数字微压差计的最大数值，取三次并求平均值。四、实验步骤1．仪器常数的测定四、实验步骤352.测定正丁醇溶液的表面张力用同样的方法测定不同浓度的正丁醇溶液的最大压差，由稀到浓依次测定。每个浓度的溶液测量前，表面张力测定仪和毛细管一起用该溶液荡洗二至三次。每份溶液恒温至少3－5min之后，开始读数；3.重复测定电导水的数据。2.测定正丁醇溶液的表面张力36仪器系统不能漏气，检查。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的流过，而使压差计读数不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。毛细管端口一定要刚好垂直切入液面，不能离开液面，但亦不可深插。在数字式微压差测量仪上，应读出气泡单个逸出是的最大压力差。正丁醇溶液要准确配置，使用过程防止挥发损失。从毛细管口脱出气泡每次应为一个，即间断脱出。表面张力和温度有关，因此要等溶液恒温后再测量。实验步骤注意事项仪器系统不能漏气，检查。实验步骤注意事项37样品电导水0.01M0.025M0.05M0.1M0.15M0.2M0.25M最大压力差１２３平均(Nm1)Г(molm2)

室温

大气压

恒温槽温度

五、实验记录及数据处理

样品电导水0.01M0.025M0.05M0.1M0.15M381.查室温下水的表面张力s(H2O)

(２５℃,σH2O＝７１.９７dyn/cm)计算仪器常数：2.计算同温度下各溶液的表面张力:

3.作s-ｃ图；利用计算机拟合s-c关系式；五、实验记录及数据处理

Ory=a+b*ln(1+c*x)

1.查室温下水的表面张力s(H2O)(２５℃,σ394由吉布斯等温式计算各溶液的表面吸附量；式中:5作～ｃ图；确定饱和吸附量Γ∞

所以Γ∞=1/(L·Am)

注意：数据处理单位前后一致，否则会导致数量级错误！

***4由吉布斯等温式计算各溶液的表面吸附量；所以401、本实验结果的准确与否