最大气泡法测定溶液表面张力

最大气泡法测定溶液表面张力一、实验目的1、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力；2、掌握最大气泡法测定溶液表面张力的原理和技术。二、实验原理在纯液体情形下，表面层的组成与内部的组成相同，因此液体通过缩小其表面积来降低体系表面自由能。对于溶液，由于溶质会影响表面张力，因此可以通过调节溶质在表面层的浓度来改变溶液的表面张力。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；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低。引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，正丁醇是一种表面活性物质。测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大气泡法和扭力天平法。本实验使用最大气泡法测定溶液的表面张力，其测量方法基本原理如下（参见图1）。图1最大气泡法的仪器测试图：A为表面张力仪，其中间玻璃管F下端一段直径为0.2mm~0.5mm的毛细管，B为充满水的抽气瓶，C为U型压力计，内盛比重较小的水或酒精、甲苯等，作为工作介质，以测定微压差。将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使F管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内液面收到一个比A瓶中液面上大的压力，当此压力差—附加压力（ΔP=P大气-P系统）在毛细管断面上产生的作用力稍大于毛细管口液面的表面张力，气泡酒从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为：ΔP=2σR（1）式中，ΔP为附加压力；σ为表面张力；R为气泡的曲率半径。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上都是球形。当气泡开始形成时，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和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，根据（1）式这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。根据（1）式，R=r时的最大附加压力：ΔP最大=2σR或σ=r2ΔP最大（2）实际测量时，使毛细管端刚与液面接触，则可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力，这样就可直接用上式进行计算。当密度为ρ的液体作压力计介质时，测得与ΔP最大相适应的最大压力差为Δh最大则：σ=r2ρgΔh最大（3）当将r2ρg合并为常数K时，则上式变为：σ=K·Δh最大（4）式中的仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得。（注：本实验的实验器材与图1有所区别，但原理相同。表面张力仪用三颈烧瓶代替，毛细管用尖嘴管代替，抽气瓶用球形分液漏斗代替，U型压力计用用橡皮管连接的漏斗和滴定管代替。所以已知Δv，但Δv=S·Δh，S是固定不变的所以将S与r2ρg合并为常数K，所以最终公式与（4）式同。）三、实验步骤1、仪器准备与检漏将三颈烧瓶和50ml的移液管用蒸馏水润洗，然后按照图一装好装置。将水缓慢倒入漏斗中，边加边排出空气，等滴定管中液体到一定高度停止加水；用移液管吸取50ml蒸馏水加入三颈烧瓶中，调整尖嘴管高度，使之恰好与液面相切，然后关紧活塞。从打开球形分液漏斗活塞，放出一些液体，使滴定管中的液体与橡胶管相连的漏斗中水的液面形成一定液面差，按住尖嘴管上端，关闭球形分液漏斗活塞。若1min~2min，漏斗中水的液面与滴定管中德液面依然存在一定高度差，则说明装置不漏气，可以进行实验。2、仪器常数的测定记录滴定管中液面初始高度，打开球形分液漏斗活塞，调节液体下滴的速度，使气泡由尖嘴管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间为10s~15s（一分钟五六个）。当气泡刚脱离管端的一瞬间，滴定管中液面差达到最大值，记录读书，连续读取四次，取有效三次，求其平均值。再由附录中，查处实验温度时，水的表面张力σ，则可以由（5）式计算仪器常数。K=σ水Δh最大(5)3、表面张力随溶液浓度变化的测定用正丁醇润洗1ml的移液管。在上述体系中，用移液管移入0.100ml正丁醇，调整液面与尖嘴管尖端相切，开始长生气泡一段时间后，当气泡刚脱离管端的一瞬间，滴定管中液面差达到最大值，记录读书，连续读取四次，取有效三次，求其平均值（ΔH）。然后依次加入0.200ml、0.200ml、0.200ml、0.500ml、0.500ml、1.00ml、1.00ml正丁醇，每加一次测定一次压力差Δh最大。四、数据处理1、实验数据记录及计算仪器常数K和溶液表面张力σ。本实验组测定的数据Δh为气泡的大小，非表面张力，因实验最后才发现数据测量有误，所以没有时间重新做一次，所以借鉴了隔壁一组数据。温度：22.1℃正丁醇加入量（ml）溶液体积分数（%）压力差ΔhK或σ001.7047.2000.1000.00201.6570.4550.3000.00601.5064.0500.5000.00991.3457.2180.7000.01381.2051.2401.2000.02341.4059.7801.7000.03290.4017.0802.7000.05120.208.5403.7000.06900.052.135由正丁醇的体积分数与表面张力σ的关系得：表面张力和体积分数关系图五、分析讨论由表面张力和体积分数关系图可以明显看出，σ=59.780的数据和最后一组数据有错，原因可能是加正丁醇时未用洗耳球打气，没有使溶液浓度均匀；也可能是气泡形成时间太短，吸附平衡来不及在气泡表面建立起来；或者没有调节尖嘴管的高度。六、实验结论由表面张力和体积分数关系图可以明显看出，当正丁醇体积分数增加时，σ在开始明显显著下降，而后逐渐缓慢下来，以致σ的变化很小，这时σ的数值恒定为某一常数。