溶液表面张力测定实验的改进

溶液表面张力测定实验的改进

溶液的表面张力是溶液的一个非常重要的性质。表面张力测定实验也是物理化学实验的重要内容,因为它提供了一个简便的测定表面张力的技术,验证了表面化学的基础理论,从中可获得溶液表面吸附量以及吸附分子横截面的信息,而且也使学生学会使用数理途径进行数据处理的方法。目前该实验过程中存在以下不足:乙醇溶液浓度的确定不准确和麻烦;用酒精压力计测量的数据不精确;图解法手工处理数据误差大且烦琐。针对上述三方面的不足,实践中通过测定溶液折射率确定乙醇溶液浓度;用数字式微压差计替代酒精压力计及用计算机处理实验数据等办法的实施可解决上述三方面的问题,使表面张力测定实验得到了改进,变得更快速、准确和方便。1浓度-折射线性方程的建立表面张力测定实验一般是测定乙醇或正丁醇溶液的表面张力,并绘制表面张力-浓度(γ-c)图和表面吸附量-浓度(Γ-c)图。其中待测溶液准确浓度c的确定通常是通过配制高浓度标准溶液然后稀释的办法来实现的。在这种方法中,因乙醇或正丁醇挥发及溶液的稀释过程均会导致待测溶液浓度确定的不准确;另外复杂的操作过程对化学实验基础薄弱的非化学专业学生来讲,还是有困难的。实验中我们采用的办法是用称重法配制5%,10%,15%,20%,25%,30%,40%,50%左右的标准乙醇溶液,利用称重法得到的数据可计算出各标准乙醇溶液的物质的量浓度;并测定各标准溶液的折射率,所测实验数据可见表1标准乙醇溶液的浓度及其折射率,利用这些数据可做出浓度-折射率的工作曲线。对于待测溶液的浓度的确定,可用阿贝折射仪测其折射率,并在上述工作曲线上查出相应的浓度值。但在实际操作中通常是将测得的浓度-折射率的工作曲线做回归分析,得到浓度和折射率的线性方程,如利用表1数据可得方程y=1.3323+3.3186×10-3x,该方程相关系数为0.994,y代表折射率,x代表溶液的浓度c,利用该方程即可方便得到待测溶液的浓度,例如测得溶液折射率为1.3426,则该溶液浓度为3.1037mol·L-1。该方法操作简单、结果准确、效果更佳。但在实验过程中一定要保证测定标准乙醇溶液和待测乙醇溶液折射率的条件一致,尤其是温度。2个人做实验,不能兼顾二者改进前的实验要求在气泡逸出瞬间读出酒精压力计上的柱高,如果由一个人做实验,无法兼顾二者,故存在误差。改进后采用DMPY-2C最大气泡法测定表面张力化学实验仪,用数字式微压差计测得系统压力值是正确的,而且比酒精压力计测得的数据还更精确。3计算机处理表面张力的测量数据3.1用计算机处理数据表面张力测定实验通常要求学生绘制γ-c曲线及Γ-c曲线,绘制Γ-c曲线时,要通过求解(ddγc)T的值来求Γ。通常的办法是:利用曲线板或曲线尺对溶液表面张力的实验数据作γ-c关系曲线,然后镜像法或玻棒法在整个实验浓度范围内的γ-c曲线上,选取不同的浓度点作切线,切线的斜率便是该浓度点所对应的表面张力对溶液浓度的导数值(dcdγ)T。用这样方法处理实验数据,学生觉得非常麻烦和复杂,也很困惑切线该如何来绘制;并且存在相当大的误差,有时甚至会得到错误的结论。为此可采用计算机处理数据来解决这个问题,目前可用的方法有C语言编写程序、Origin软件、Excel软件等。通过参考相关文献和进行实践发现编写复杂数据处理程序对物理化学实验工作者来说不现实也不必要,而用Origin软件处理数据时,在得到γ-c经验关系中的待定参数后,不能一气呵成地进一步求解不同浓度的溶液表面吸附量Γ,并做出Γ-c曲线。因此采用Excel软件来处理实验数据,并且Excel软件也是学生所熟悉的应用软件。实践中发现Excel2007软件及其工具中的“规划求解”可快速、简便、并不用编程就能综合处理实验数据。3.2b、c、b值的拟合该方法所依据的基本原理是用γ-c关系的经验公式来求Γ。因在稀浓度范围,用希斯科夫斯基经验公式可以较好地表达γ-c关系:常b值约为0.3,而a值为比纯溶剂水的表面张力低约12%所对应的溶液浓度。将一组浓度-表面张力的实验数据用NewtonMarkuardt法作非线性最小二乘拟和,可以求解希斯科夫斯基经验公式中的待定常数a和b。在等温条件下将式(1)作表面张力对浓度求导得:将(2)代入吉布斯吸附等温式得到(3)式:因此,在确定了待定常数a,b后,便可以计算溶液在相应浓度的表面吸附量Γ。3.3表面质量的测定具体的操作是首先加载Excel“规划求解”的宏;然后进行数据录入和公式编辑并绘制γ-c曲线;利用“规划求解”求出常数a,b;再利用公式(3),编辑公式可计算不同浓度的表面吸附量Γ,然后画出Γ-c曲线。表2是学生测定的乙醇水溶液表面张力的实验数据,测定时温度为20℃,γ0=72.75mN·m-1,图1和图2分别为利用Excel绘制的γ-c曲线及Γ-c曲线图。学生在处理实验数据时只要将温度T、该温度下所对应的溶剂表面张力γ0和实验测定的不同浓度和表面张力的数值重新输入,并做规划求解,不需要重新输入公式和作图就可求常数a、b,再计算溶液表面吸附量并绘制γ-c及Γ-c曲线,处理过程简单,实验结果正确。4系统压力值更准确通过实践这三项改进办法,得到下述结论:测定溶液折射率来确定乙醇溶液浓度使待测乙醇溶液浓度的确定操作更为简单和方便;用数字式微压差计替代酒精压力计使测得系统压力值更准确和精确,操作也更简便;用计算机处理实验数据,克服了图解法手工处理数据误差大且烦琐的缺点,采用EXCEL“规划求解”的办法不用编写复杂的程序,只需输入测量数据便可一气