12-实验十二溶液表面张力的测定

【物理化学实验】电子教案邯郸学院化学系-1-实验十三溶液表面张力的测定(31-18)一、目的：1．掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术。2．通过对不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能、表面张力和吸附量关系的理解。二、基本原理：1.溶液的表面吸附：在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。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，这种表面浓度与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及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：式中：Г—溶质在表层的吸附量(mol·m-2)；σ—表面张力（J·m-2）；C—吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度（mol·L-1）。当0时，Г0称为正吸附；当0时，Г0称为负吸附。引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质。吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。【物理化学实验】电子教案邯郸学院化学系-2-从上式可以看出，只要测定溶液的浓度和表面张力就可以求得各种浓度下溶液的吸附量。若在溶液表面上的吸附是单分子层吸附，则可以用朗格缪尔单分子层吸附等温式来表示，即：Г=Г∞·KCKC1式中：Г∞—溶液单位表面上全盖满单分子吸附层的饱和吸附量；K—吸附常数。把上式展开，可得：KCC12.最大气泡压力法测定表面张力：表面张力的测定方法很多，本实验采用最大气泡压力法。将毛细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，让水缓慢地滴下，使毛细管内溶液受到的压力比样品管中液面上来得大．当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，毛细管口的气泡即被压出，压差的最大值可以从压力计上读出。气泡从毛细管口压出时受到的压力为：ΔP=gΔh式中：Δh—压力计两臂的读值差；g—重力加速度；ρ—压力计内液体的密度。同时根据附加压力计算公式：ΔP=r2式中：σ—表面张力；r—毛细管半径；【物理化学实验】电子教案邯郸学院化学系-3-所以，有：hgr2整理，可得：hkhgr2对于同一支毛细管来说，式中k值为一常数，称为毛细管常数，因此只要用表面张力已知的液体为标准．即可求得其它液体的表面张力。三、仪器和试剂：SYP玻璃恒温水浴１套，SWQ智能数字恒温控制器１套，DP-A精密数字压力计１套，滴液漏斗(250mL)l个,支管试管（φ25×20cm）l个,毛细管（0.2～0.3mm）1支,烧杯(250mL)l个,T形管1个，放大镜1块；正丁醇溶液(A.R.)0.02M、0.05M、0.15M、0.25M、0.35M，重蒸馏水。四、操作步骤：1．调节超级恒温槽温度至30℃。2．按P.213：图31-2表面张力测定装置所示，连接好仪器。3．仪器常数测定：⑴样品管内装入蒸馏水，通过液面调节阀，使样品管的液面正好与毛细管端面相切，安装时注意：毛细管务必与液面相垂直！⑵测定开始时，打开滴液漏斗活塞进行缓慢抽气，使气泡从毛细管口逸出，调节气泡逸出速度以5～10秒一个为宜，读出压力计的数值，重复读10次，取其平均值．4．待测样品表面张力的测定：⑴加入适量的样品于样品管中，应用吸耳球打气的办法、使用待测样品洗毛细管,使毛细管中溶液与样品管中的浓度一致。⑵按测定仪器常数时的操作步骤，分别测定各浓度正丁醇水溶液的压力值。5．实验完后关闭超级恒温水浴，用蒸馏水洗净仪器，样品管中装好蒸馏水，并将毛细管浸入水中保存。【物理化学实验】电子教案邯郸学院化学系-4-[Notes]：实验注意事项：①仪器系统不能漏气。②毛细管必须干净，保持垂直，其管口刚好与液面相切．每次测量前用待测液洗涤毛细管，保持毛细管与样品管所测液浓度一致。③读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。④用吸耳球洗毛细管时，要打开活塞。五、数据记录和处理：1.计算不同浓度的正丁醇水溶液的表面张力σ；2.绘出曲线图，在曲线图上求出各浓度值的相应斜率m；3.计算溶液各浓度所对应的单位表面吸附量Γ。六、思考讨论题：1.表面张力为什么必须在恒温槽中进行测定？温度变化对表面张力有何影响？为什么？2.哪些因素影响表面张力测定的结果？如何减小以及消除这些因素对实验的影响？3.为什么要求从毛细管中逸出的气泡必须均匀而间断？如何控制出泡速度？七、参考资料：1.东北师范大学等校编,物理化学实验(第二版),P.143~150,高等教育出版社(1989.5.)2.淮阴师范学院化学系编,物理化学实验(第二版),P.118~125,高等教育出版社(2003.4.)3.山东大学印永嘉等编,物理化学简明教程(第三版),高等教育出版社(1992.6.)