实验十一-最大气泡法测定溶液的表面张力报告

PAGEPAGE4实验十一最大气泡法测定溶液的表面张力11.1实验目的11.1.1测定不同浓度正丁醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和正丁醇分子的横截面积；11.1.2了解表面张力的性质，表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系；11.1.3掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。11.2实验原理11.2.1表面自由能物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小趋势。如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面增加dA所需做的功，叫表面功，可表示为：-δW′=σdA(11.1)式中，σ为比例常数。σ在数值上等于当T、p和组成恒定的条件下增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。环境对体系作的表面功转变为表面层分子比内部分子多余的自由能。因此，σ称为表面自由能，其单位是J·m-2。若把σ看作为作用于每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。从另外一方面考虑表面现象，特别是观察气液界面的一些现象，可以觉察到表面上处处存在着一种张力，它力图缩小表面积，此力称为表面张力，其单位是N·m-1。表面张力是液体的搬弄是重要特性之一。与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。纯液体的表面张力通常是指该液体与饱和了其本身蒸气的空气共存的情况而言。11.2.2溶液的表面吸附纯液体表面层的组成与内部组成层相同，因此，液体降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液则由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面的浓度来降低表面自由能。根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液的内部来得大；反之溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度来得低，这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。从热力学方法可知它们之间的关系遵守Gibbs吸附方程：(11.2)式中：Γ—表面吸附量(mol·m-2)σ—溶液表面张力(N·m-1)T—热力学温度(K)c—溶液浓度(mol·m-3)R—气体常数(8.3145J.K-1.mol-1)。以表面张力σ对溶液浓度c作图，可得到σ—c曲线，在σ—c曲线上任选一点I作切线，即可得该点所对应浓度ci的斜率(dσ/dci)T,可求得不同浓度下的Γ值和得出Γ—c的关系图。在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温式表示：(11.3)式中：Γ∞—表面饱和吸附量(mol·m-2)K—经验常数(与溶质的表面活性大小有关)将(11.3)式转化成直线方程为：(11.4)若以c/Γ~c作图可得一直线，由直线斜率可求出Γ∞。假若在饱和吸附的情况下，在气液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得被测物质的分子横截面积S0：(11.5)式中为阿佛加德罗常数(6.022×1023mol-1)。11.2.3最大泡压法(一)实验数据11.6.1正丁醇溶液的配制表1.正丁醇溶液的配制室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa100ml容量瓶1#2#3#4#5#6#7#8#V正丁醇/ml0.20000.50001.0001.5002.0002.5003.0003.500c正丁醇=ρ正丁醇V正丁醇/M正丁醇/(100×10-3)/mol·dm-3，M正丁醇=74.12g·mol-1,ρ正丁醇=0.8098g∙dm-3c正丁醇/mol·dm-30.021850.054630.10930.16390.21850.27310.32780.382411.6.2仪器常数的测定表2.仪器常数的测定室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa待测物质DpH2O/Paσ/N·m-1仪器常数K/N·m-1·Pa-1123平均值H2O6936926926927.118×10-29.4529×10-5计算公式：K=σH2O/DpH2O(N·m-1·Pa-1)11.6.3正丁醇溶液表面张力的测定表3.正丁醇溶液表面张力的测定室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa正丁醇浓度/mol·m-3Δp/Paσ/N·m-1123平均值21.856846826836830.0645654.636496506496490.06135109.35725745735730.05416163.95215215225210.04925218.54814804824810.04547273.14464464464460.04216327.84194204204200.03970382.44034024024020.0380011.6.4作σ~c图，求出曲线上不同浓度c点处的(әσ/әc)T,p，并计算相应浓度的Γ。图1.σ~c关系曲线图曲线拟合方程：σ=0.06769-1.36212×10-4c+1.54201×10-7c2(N∙m-1)(әσ/әc)T,p=-1.36212×10-4+2×1.54201×10-7c(N∙m2∙mol-1)Γ=-c/8.3145/303.15×dσ/dc(mol·m-2)表3.正丁醇溶液表面张力的计算室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa正丁醇浓度/mol·m-3σ/N·m-1-(әσ/әc)T,p/N·m2·mol-1Γ/mol·m-2c/Γ/m-150.000.0612612.1×10-52.40×10-62.09×107100.00.0556110.5×10-54.18×10-62.39×107150.00.050739.00×10-55.35×10-62.80×107200.00.046627.45×10-55.91×10-63.38×107250.00.043275.91×10-55.86×10-64.26×107300.00.040704..37×10-55.20×10-65.77×107图2.c/Γ~c关系直线图直线斜率k=1/Γ∞=1.729×105m2·mol-1，Γ∞=5.784×10-6m-2·mol-111.6.5求乙醇分子的横截面积S0。S0=1/LΓ∞=1.729×105/(6.022×1023)=0.287×10-18m2=0.287nm2(二)实验数据11.5.1乙醇溶液的配制表1.乙醇溶液的配制室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa容量瓶编号1#2#3#4#5#6#7#8#m乙醇/g4.28878.914811.18418.02624.39630.18534.96544.389c乙醇=m乙醇/M乙醇/(100×10-3)/mol·dm-3，M乙醇=46.08g.·mol-1c乙醇/mol·dm-30.93091.93512.42763.91275.29546.55207.58959.635111.5.2仪器常数的测定表2.仪器常数的测定室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa待测物质DpH2O/Paσ/N·m-1仪器常数K/N·m-1·Pa-1123平均值H2O10381038103810387.118×10-26.857×10-5计算公式：K=σH2O/DpH2O(N·m-1·Pa-1)11.5.3乙醇溶液表面张力的测定表3.乙醇溶液表面张力的测定室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa乙醇浓度/103mol.·m-3Δp/Paσ/N·m-1123平均值0.93097927947937930.054381.93516726726726720.046082.42766356356356350.043543.91275355355355350.036695.29544744744744740.032506.55184364364364360.029907.58954174174174170.028609.63513853853853850.0264011.5.4作σ~c图，求出曲线上不同浓度c点处的(әσ/әc)T,p，并计算相应浓度的Γ。图1.σ~c关系曲线图曲线拟合方程：σ=0.06769-0.1362c+0.15426c2(әσ/әc)T,p=-0.1362+2×0.15426cΓ=-c/8.3145/303.15×dσ/dc(mol·m-2)表3.乙醇溶液表面张力的计算室温25.00℃；实验温度30.00℃；大气压96.18kPa乙醇浓度/mol·m-3σ/N.m-1-(әσ/әc)T,p/N·m2·mol-1Γ/mol·m-2c/Γ/m-11.000×1030.0540811.31×10-54.487×10-62.228×1081.500×1030.049268.352×10-54.970×10-63.018×1082.000×1030.045606.540×10-55.189×10-63.854×1082.500×1030.042675.363×10-55.319×10-64.700×1083.000×1030.040234.546×10-55.411×10-65.544×1083.500×1030.038133.941×10-55.473×10-66.395×1084.000×1030.036303.467×10-55.501×10-67.271×1084.500×1030.034693.077×10-55.493×10-68.193×1085.000×1030.033252.745×10-55.446×10-69.181×1085.500×1030.031962.458×10-55.364×10-610.25×108图2.c/Γ~c关系直线图直线斜率k=1/Γ∞=1.765×105m2·mol-1，Γ∞=5.665×10-6m-2·mol-111.5.5求乙醇分子的横截面积S0。S0=1/LΓ∞=1.765×10