物理化学实验报告 G溶液表面吸附的测量

物理化学实验报告溶液表面吸附的测量姓名：学号：班号：

指导老师溶液表面吸附的测量一、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r-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，若加入的溶质能降低溶剂表面张力时，则溶质在表面层的浓度比在溶液本体的浓度大，反之，若溶质使溶剂表面张力升高，溶质在表面层的浓度小于在溶液本体中的浓度。溶质在溶液表面层与在溶液本体中浓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r与表面张力。、浓度C有关，其关系符合Gibbs吸附方程厂=—（竺）（C22.1）RTdct式中：r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。Re（）表示在一定温度下，表面张力随浓度的变化率。如果溶液表面张力dcT随浓度增加而减小，即（竺）<0,则r>0，此时溶液中溶质在表面层中的浓度大dcTde于在溶液本体中的浓度，称为正吸附。如果（——）>0，则r<o，称为负吸附。dcT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（竺）值。由Gibbs吸附方程求各浓度下的吸附量r。dcT求（竺）值，可以通过镜面法和平行线法，在曲线上做切线。目前更好的方dcT法是使用计算机处理数据，例如使用数据处理软件origin或Excel。详细内容参见本书绪论部分。测定液体表面张力的方法较多，如最大气泡压力法、滴体积法、毛细管升高法、环法等，本实验采用最大气泡压力法。实验装置如图C22.1所示。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P'为大气压力P0和附加压力AP。根据拉普拉斯（Laplace）方程：AP=巴（C22.2）r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,AP<0（指向大气）。□表面张力仪恒温槽加压装置微压差计图C22.1实验装置示意图加压图C22.2毛细管口示意图时，能承受的压力差最大。则有加压图C22.2毛细管口示意图时，能承受的压力差最大。则有2QAP=——(C22.3)maxrrQ=-AP(C22.4)2max当打开漏斗的活塞，让水缓慢滴入下面密封的加压瓶中时，毛细管内液面上受到比毛细管外液面上更大的压力，毛细管内液面开始下降。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，如图C22.2所示。气泡逸出前能承受的最大压力差为AP，可以用微压差测量仪测出。根据拉max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测定毛细管的半径r和AP即可求得液体表面张力。。直接测定毛细管半max径r容易带入较大的误差，可用同一支毛细管，在相同条件下分别测出已知表面张力为。的参考液体的AP和待测液体的AP，由（3）式得1max,1maxTOC\o"1-5"\h\z2o2or==i-APAPmaxmax,1C22.5)c二i—APC22.5)APmaxmax,1由式C22.5可求出其它液体的表面张力。。三、仪器和试剂微压差测量仪（DMPY-2C型）表面张力测量玻璃仪器恒温槽容量瓶烧杯、洗瓶无水乙醇（A.R.）四、实验步骤1）配制溶液：使用0.Olg或更高精度的电子天平称取无水乙醇，加入到容量瓶中，加水至刻度。配制浓度0.5〜6.0mol•dm-3的乙醇水溶液，浓度分布如表所示。2）按图1所示检查安装仪器。将恒温水通入表面张力仪内，调节恒温槽至设定温度，设定温度应比室温高约5°C,且能查到该温度下纯水的表面张力值。3）在洗净的表面张力仪中加入适量去离子水，通恒温水lOmin以上。通过表面张力仪下部的活塞调节液面高低，使得放入毛细管，旋紧橡皮塞时，玻璃毛细管下端刚好与液面相切。4）将毛细管与乳胶管断开，将毛细管内外处理干净（用吹气法），将毛细管放入表面张力仪，缓慢旋紧橡皮塞，使毛细管下端刚好与液面相切。使微压差测量仪通大气，按一下“置零”按钮，然后轻轻将毛细管与乳胶管连接上。5）缓缓打开漏斗的活塞，使水慢慢滴下，毛细管上面压力逐步增大，当毛细管下端气泡稳定形成（约5〜10s出一个气泡）后，从微压差测量仪上读取压力差最大值AP。读三次，计算时取平均值。max,16）用上述方法，将表面张力仪中的去离子水换为不同浓度待测的乙醇水溶

液，测得各溶液的AP值。注意：每次更换溶液时，用待测溶液涮洗表面张力max仪3次。将毛细管与乳胶管断开，将毛细管内外残留的上次液体去除干净。每次更换溶液后，在表面张力仪中应恒温10min以上，为了节省时间，可先将盛待测溶液的磨口塞锥形瓶放入恒温槽内恒温，恒温后的溶液放入表面张力仪后再恒温3min。7）实验完毕，洗净玻璃容器。五、数据处理室温：17.7C恒温槽温度:23C预计浓度/mol・dm-300.71.42.12.83.54.24.95.6乙醇质量/g0.001.653.244.836.448.079.7011.2712.88溶液体积/ml505050505050505050浓度/mol・dm-30.000.701.402.102.803.504.204.905.60AP/Pa第1次max585467421383340322307285272AP/Pa第2次max588467420384340321307285273AP/Pa第3次max586467420383340319308285272AP/Pa平均值max586.3467.0420.3383.3340.0320.7307.3285.0272.3表面张力/（mN/m）72.357.651.847.341.939.537.935.233.6

如表所示，记录去离子水、各浓度的乙醇-水溶液的浓度、AP、恒温温度，查max出水的表面张力，计算不同浓度乙醇水溶液的表面张力。作b-c曲线。表而张力a表而张力a/(mNin))从b〜c图可以得到：o=f(c)=71.47T2.72c+1.156c2(Ob\微分后得到切线方程：一=f'(c)=-12.72+2.312c[10罰*mol-1*m2]辽c丿t在光滑曲线上选取8个不同浓度点，带入上述微分方程，得到8个不同浓度下的(Ob\切线斜率孚lOc丿T由厂=—丄(Ob\切线斜率孚lOc丿TT作r-c曲线。浓度mol/l0.701.402.102.803.504.204.905.60(竺］N*mol-i*m2lOc丿T-11.10-9.48-7.86-6.25-4.63-3.01-1.39+0.23r=—丄〔互］10-3mol*m-2RTlOc丿T3.195.456.777.186.655.192.790.53六、误差分析一、从实验操作角度分析：、实验中，只提供了无水乙醇，溶液需要临时配制，配制过程中由于读数、仪器精度等原因导致实际溶液浓度与计算值存在一定误差。、调节活塞过程中，气泡冒出的速率不一，导致读数时随意性较大，给实验结果带来一定误差。二、从理论上分析：本次试验测得的正丁醇分子的横截面积比理论值要大，但处于同一个数量级;co、r-c、c/r-c图中某些点与总体趋势不同，与理论曲线大体吻合。作为一种低成本的方法，最大气泡法有吸附难以达到平衡的缺点，精度不高是可以理解的。下面我对实验的误差因素进行全面的分析。①最大压差AP值的测量误差在每次改变测量溶液浓度之后，应该用待测溶液反复清洗毛细管和恒温套管，在实际操作中残留是不可避免的，这样使测量溶液的表面张力与实际溶液的浓度不一致，导致实验误差；实验要求毛细管底部与液面正好相切，并且毛细管完全的垂直，实际上这很难到达，而且实验指导上也没有明确的方法使我们做到这两点；由于毛细管管径很小，当正丁醇浓度增大时，体系粘度变大，管壁上容易吸附正丁醇分子，使得气泡冒出很不规则，造成数据波动很大；毛细管的粗细均匀程度及磨损程度都会对结果造成影响;5）出泡速度会影响AP值的读数，而出泡速度并不能精确控制使得每次的速度相同，若气泡产生速率偏快，会使测定最大压力差值偏大，过慢则会偏小；6）装置气密性不好，有些许漏气会使测定最大压力差值偏小；7）其它系统误差，如恒温槽温度的小幅变动。②数据处理1）我们在数据处理的过程中使用了浓度而不是活度。只有在稀溶液情况下，浓度才近似等于活度，而实验溶液的正丁醇浓度并不是很稀的，导致计算的正丁醇分子截面积偏差较大。这一点从r-c图上明显可以看出，在浓度变大后曲线有明显的下降，与理论曲线存在较大的出入；2）o~c曲线拟合形式的不同会最终造成r~c图及c/r~c图与理论情况的偏差。七、实验的讨论与改进（1）关于相关曲线的讨论1）由。~c图可知，正丁醇溶液的表面张力。随着其浓度的增加而逐渐降低，为正吸附，故正丁醇是一种表面活性物质。当正丁醇的浓度增大到一定值时，溶液的表面张力。的随浓度的变化较小，此时有可能已经形成了单分子层的饱和吸附层；2）由r-c图可知，当浓度较小时，随着浓度的升高，吸附量逐渐增加。（2）实验改进在实验中将带毛细管的木塞插入试管，若木塞没有塞正，可导致毛细管与液面不垂直；若加入试管中溶液的量控制得不准，可导致毛细管插入液面深浅不一，需要多次调节液面高度，操作起来烦琐，往往要反复几次才能完成。我们可以对实验装置进行如下改进，简化实验操作。1）样品管的改动：我们将样品管设计成套管，套管上端为磨口，与带毛细管的磨口塞配套。用磨口塞固定毛细管的位置，这可以使毛细管保持与液面垂直，避免了用木塞固定毛细管的随意性。外管两侧上下支管与恒温槽相连，构成整个实验体系的恒温循环装置。内管装样品，内管侧面支管与压力计连接。套管下端管口接活塞，通过旋转活塞可非常方便、灵活地调节液面高度使之与毛细管相切，操作起来非常简便。2）增加1个三通双支真空活塞：在压力计和滴液漏斗之间增加1个三通双支真空活塞，在调节毛细管端面与液面相切时，先将三通双支真空活塞转向一支通大气以防止体系产生负压，再转向另一支与体系相通进行测量。这样减少了传统装置操作时，在每次测量之前需反复提出毛细管以平衡体系与大气压差的麻烦，并可以在两次测量之间，快速使系统与大气之间的压力平衡，使读数误差减小。八、实验心得本次实验我学到了关于溶液表面张力的相关知识，并了解了最大气泡法的相关操作。虽然实验操作步骤简单，但造成误差的因素较多，操作时要格外仔细。另外，调节气泡使其均匀冒出且速度适中是本实验的难点，我在第一组测量中遇到了较大的麻烦，但在陈亚同学和吕老师的帮助下，我也渐渐掌握了调气泡的要领，即先把气泡调出来，然后关闭活塞使其稳定，中途大概估计出泡时的压力，再缓缓打开活塞，一直微调到压力数在一定区间稳定波动。九、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:如果毛细管洗涤不干净，导致实际测量溶液浓度发生偏差，对表面张力值产生影响，不仅影响到表面张力值，而且气泡生成将会没有规律（要么就是一个气泡也没有，要么就是多个气泡同时逸出），会影响到压力的变化速率，由于压强变化过快，压差计