溶液表面张力的测定及等温吸附

专业：_化工____专业：_化工____姓名：_王小龙______学号：3060902052地点：紫金港化学实验中心楼课程名称：大学化学实验P指导老师：_冷文华______成绩：__________________实验名称：溶液表面张力的测定及等温吸附实验类型：________________同组学生姓名：__________实验目的和要求1、加深理解表面张力、表面吸附等基本概念以及表面张力和吸附的关系。2、掌握最大气泡法测定溶液表面张力的原理和技术。实验原理如图1所示，最大气泡法测定表面张力：当表面张力仪中的毛细管尖端与待测液体相切时，液面即沿毛细管上升。打开滴液漏斗2的活塞，使水缓慢下滴而减小系统压力，这样毛细管内液面上受到一个比试管中液面上大的压力，当此压力差在毛细管尖端产生的作用力稍大于毛细管管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出，这一最大压力差可由数字式微压差测量仪测出：P最大=P大气－P系统=P。毛细管内气体压力必须高于大试管内液面上压力的附加压力以克服气泡的表面张力，此附加压力P与表面张力成正比，与气泡的曲率半径R成反比，其关系式为：如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的，当气泡刚开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大，随着气泡的形成曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R与毛细管内半径r相等，曲率半径达到最小值，由上式可知此时附加压力达最大值，气泡进一步长大，R变大附加压力则变小，直到气泡逸出。R=r时的最大附加压力m，从此式得，当使用同一根毛细管及相同的压差计介质时，对两种具有表面张力为，的液体而言，正比于，且同温度下有：，若液体2的为已知，则.式中：K为仪器常数，可用已知表面张力的液体2来测得，因此，求得1。本实验就是通过测定已知表面张力的水的2来求得不同浓度正丁醇溶液的表面张力。溶质若能降低溶液的表面张力，则表面层中溶质的浓度就比溶液内部的大；反之，溶质若使溶液的表面张力升高，则它的表面层中的浓度比在内部的浓度小，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。在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力的变化及溶液的浓度有关，在稀溶液中用热力学方法可知它们间的关系遵循吉布斯吸附方程：式中：为表面吸附量，；为热力学温度，；c为溶液浓度QUOTE，当(/C)T<0时,>0,称为正吸附；当(/C)T>0时,<0,称为负吸附。在水溶液中，表面活性物质具有两亲基团，当浓度达到某一值后，表面活性物质在表面层的的吸附量为一定值，而与溶液浓度c无关，称为饱和吸附，此时溶质在表面层竖直排列，因而可由饱和吸附量求出溶质分子的横截面积。在=f(c)的曲线上用镜象法作出不同浓度点的切线，并延长与纵坐标相交，经过切点作一平行于横坐标的直线与纵坐标相交，若令此直线和切线在纵坐标上所截之长度为Z，则Z=-C·(/C)T，则.用这种方法可算出与浓度对应的值，将1、2…等对C作图，就可得到吸附等温线。若在溶液表面上的吸附是单分子层的吸附，则按Langmuir吸附等温式：式中：为溶液单位表面上盖满单分子层溶液时的饱和吸附量；K为特性常数，它取决于吸附质的吸附特性。把Langmuir吸附等温式改写成：以C/～C作图，可得一直线，其斜率为1/，截距为1/（K），进而可求得和K。设N代表单位溶液表面的分子数，如果溶质是表面活性物质，则得N＝L，L为阿佛加德罗常数，每个溶质分子的在溶液表面上所占的截面积即为三、主要仪器设备仪器：表面张力测定装置1套；精密恒温水槽1套；数字式微压差测量仪1台；100mL容量瓶8个；50mL碱式滴定管1只试剂：正丁醇（AR）、去离子水。四、操作方法、实验步骤及现象1.准备试剂，0.5mol/L的正丁醇溶液。（实验前已完成）2．配制溶液，将0.5mol/L的正丁醇溶液在50ml容量瓶中稀释成浓度分别为0.02mol/L、0.04mol/L、0.06mol/L、0.09mol/L、0.12mol/L、0.16mol/L、0.20mol/L、0.24mol/L的稀溶液。3.调节恒温槽至30.004.仪器常数测定用洗液洗净大试管及毛细管内外壁,然后用去离子水洗之，再将适量去离子水装于洗净的大试管中，盖好带毛细管的标准磨口，防止漏气，并使毛细管尖端刚好与液面接触并保持垂直。让大滴液试管中液体恒温15分钟，在滴液漏斗中装入适量水，保持其上端活塞打开的情况下把数字式微压差测量仪读数置零，然后盖上活塞。缓慢打开滴液漏斗旋塞，以使气泡从毛细管尖端尽可能缓慢、均匀地鼓出，以20次/min左右的速率为宜。读取并记录p最大，连续读10次，选取较理想的3次取其平均值。5.正丁醇溶液表面张力测定按照上述方法由稀到浓测定不同浓度正丁醇溶液的QUOTE。记录数据。五、实验数据记录和处理30℃时水的表面张力约为71.17大气压：102.72kPa室温：23.5QUOTE表1.各组溶液QUOTE的实验测量值C/mol/L0．000.020.040.060.090.120.160.200.24ΔPm/Pa5985365084824684454274063821、计算仪器常数：K=γ水/ΔPm（水）=71.17/598=1.190*10-42、求出各浓度正丁醇溶液的表面张力：C/mol/L0.020.040.060.090.120.160.200.24ΔPm/Pa536508482468445427406382张力/63.7860.4557.3655.6952.9650.8148.3145.463、作γ-c图，作每一浓度下γ-c曲线的切线，求得相应的Z值，对所得的数据进行拟合；所以其函数为γ=27.785*e(-c/0.192)+38.096由公式得：=144.71c*e(-c/0.192)C/mol/L0.020.040.060.090.120.160.200.24Z/2.6084.7006.3528.1509.29510.06310.2139.9504、由计算不同浓度下的ΓC/mol/L0.020.040.060.090.120.160.200.24Γ*106/mol/m21.0351.8652.5203.2343.6883.9924.0523.9485、作Γ-c曲线，得吉布斯吸附等温线6、作c/Γ-c曲线，由直线斜率和截距求得Γ∞和K，得Langmuir等温吸附式，并计算出溶质分子的截面积q值C/mol/L0.020.040.060.090.120.160.200.24Γ*106/mol/m21.0351.8652.5203.2343.6883.9924.0523.948(c/Γ)*10-4/m-11.5332.1452.3812.7833.2544.0084.9366.079所以c/Γ=1.142+19.337*c故1/Γ∞=10.337*104m1/（KΓ∞）=1.142*104Γ∞=9.674*10-6mol*m-2K=9.052m3*molq=1/（L*Γ∞）=1.717*10-19查文献得正丁醇分子截面积为2.2*10-19所以误差E=|1.717-2.2|/2.2*100%=22.10%六、实验结果与分析结果：仪器常数K=1.190*10-4γ与c的关系为：γ=27.785*e(-c/0.192)+38.096c/Γ与c的关系为：c/Γ=1.142+19.337*c求得：Γ∞=9.674*10-6mol*m-2K=9.052m3*molq=1.717*10-19q的误差为22.10%七、讨论、心得注意事项：此次试验存在的误差主要有：1.实验装置的清洗不够充分，尤其是毛细管的清洗。尽管实验前对实验所用的仪器都用洗液清洗，再用离子水清洗，但是毛细管中仍有可能还未洗净，影响气泡的鼓出，对实验数据的准确度造成影响。2.恒温槽不够精确，尽管恒定温度设定在25℃3.实验中所使用的毛细管由于长期使用的磨损，其尖端的平整性不够理想。4.实验中配置不同浓度溶液所用的0.5mol/L的正丁醇水溶液由于放置时间过长，可能有正丁醇或者水的挥发以及正丁醇被氧化等现象存在，导致其真实浓度改变，造成系统误差。5.配置不同浓度的待测液时，其间的移液、稀释、定容、摇匀等环节因为经过多种容器，有可能在这些过程中造成试剂的污染，另一方面这些操作都不可避免的会因为仪器和操作的原因产生系统误差和随机误差。6.由于操作不够熟练，故在测量每一组溶液的表面张力时，毛细管与液面的相对位置不能够完全保持一致，有的相切得较好，有得伸入液面以下；在调节滴液漏斗来控制气泡的鼓出速率时，也不能很好地保证每一次的速率时相等的；在每一次放置毛细管时并不能保证其完全意义上的垂直。以上三方面第一造成了实验内各组数据之间的测量条件有变化，可对比性下降，精确度不够；另一方面也使得某些组的数据测量不准确，或偏大或偏小。7.每一次更换不同浓度的溶液进行测量时，毛细管可能会存在润洗不充分而使得真实测得的数据并不是需要浓度溶液的数据。此次试验中需要注意以下几个问题：1.实验过程中系统不能漏气，接口等处应用真空脂密封。。2.实验所测定的每一个浓度的溶液在进行测量之前都必须进行恒温，使其与设定的测量温度相等。3.测定时，待测液的浓度要按从稀到浓的顺序来进行。这是因为从稀到浓来测定，即使测定的时候有上一浓度的溶液残留，影响也不会太大。以0.02mol/L和0.04mol/L的溶液为例，如果假定一滴溶液的体积为0.05mL，张力仪内的溶液体积为5mL，则0.04mol/L的溶液内混入1滴0.02mol/L的溶液后，其浓度为0.0398mol/L，改变量为0.496%；如果是0.02mol/L的溶液内混入1滴0.04mol/L的溶液后，其浓度为0.0202mol/L，改变量为0.990%，其影响近乎为0.04mol/L的溶液内混入1滴0.02mol/L的溶液后浓度改变的两倍，因此测量时按照由稀到浓的顺序测量可大大减小误差。4.测定时表面张力计一定要清洁，特别是毛细管一定要干净，测量时应尽量保持垂直，毛细管尖端和页面相切，使气泡能够连续逸出。思考题：1.毛细管尖端为何要刚好接触液面？答：如果毛细管尖端插入液下，会造成压力不只是液体表面的张力，还有插入部分液体的压力。2.为何毛细管的尖端要平整？选择毛细管直径大小时应该注意什么？答：实验中默认鼓出的气泡为半球形，其曲率半径R和毛细管的半径r相等时达到最小值，而附加压力达到最大值，以此测出液体的表面长力。如果毛细管尖端不平整，就不能得到半球形气泡。选择毛细管时，其直径不宜太大，因为毛细管半径较小的时候才能保证其形成的气泡基本上是球星的。3.如果气泡出的很快对结果有何影响？答：气泡出的很快会使气泡不能一个一个鼓出而几个气泡聚集在一起，使得数