最大气泡压力法测定溶液的表面张力

最大气泡压力法测定溶液的表面张力一、实验目的•1．测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量与浓度的关系。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。•2．掌握一种测定表面张力的方法——最大气泡法。二、基本原理由于表面层分子比溶液内部分子有较大的位能（表面自由能），所以，在等温等压组成不变的条件下，欲使液体表面积增加△S，所消耗的可逆功W为：－W=△G=σ△S（1）式中：△G为单位表面自由能（J·m-2）;σ为表面张力（N·m-1），液体单位表面自由能和它的表面张力在数值上是相等的。液体表面张力的大小与液体的种类、与其共存的另一相的性质以及温度、压力等因素有关。缩小表面积和降低表面张力，都可以降低系统的自由能。纯液体用缩小其表面积来降低系统的自由能，而溶液是调节溶质在表面层浓度来促使系统自由能的降低。我们把溶质在表面层中与在本体溶液中浓度不同的现象称为溶液的表面吸附。在一定的温度和压力下，溶液表面吸附溶质的量与溶液的表面张力和加入的溶质量之间的关系可用吉布斯（Gibbs）公式表示：（2）式中：Γ为吸附量（mol·m-2）;σ为表面张力（N·m-1）;T为绝对温度（K）；c为溶液浓度（mol·L-1）；R为气体常数（8.314J·K-1·mol-1）。表示在一定温度下表面张力随溶液浓度而改变的变化率。从（2）式可以看出，只要测定溶液的浓度和表面张力，就可以求得各种不同浓度下溶液的吸附量Γ。在本实验中，溶液的表面张力测定是应用最大气泡压力法，其实验装置如图下所示。将待测溶液装入样品管中，使毛细管的端面与液面相切液面即沿毛细管上升。打开滴液瓶活塞缓慢放水（抽气），则样品管中的空气体积增大，压力逐渐减小，毛细管中液面上所受的压力大于样品管液面上的压力，此时毛细管中的液体就会被压至管口，并形成气泡。最大气泡压力法的实验装置图显然，在气泡形成过程中，气泡半径由大变小，再由小变大（如下图中(a)、(b)、(c)所示），所以压力差p则由小变大，然后再由大变小。当气泡半径r等于毛细管半径R时，压力差达到最大值pmax。压力差一般由精密数字压力计读出。气泡形成过程中其半径的变化情况示意图返回设毛细管半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下总作用力为πr2P最大。其中P最大=P大气—P系统气泡在毛细管口受到表面张力引起的作用力为：2πrσ。当气泡逸出时，上述两压力相等，即：πr2P最大=2πrσ若将表面张力为σ1、σ2的两种液体采用同一毛细管和压力计，分别测定其最大压力差，则有：（1）则：（2）其中为毛细管常数K值可以通过测定已知表面张力的物质求得（本实验用重蒸馏水作为标准，25℃时，σ水=0.07197N·m-1）。根据（2）式可以求出其它液体的表面张力σ2。2max1max21PP2max121max2maxKPPP1max1K=/p预习问题•1.为什么要测毛细管常数？•2.气泡形成过程中其半径的变化情况示意图中，p最大由大到小的排列顺序如何？三、仪器和药品（讲义P101）：四、操作步骤1.预压及气密性检验缓慢加压至一定压力，观察数字压力计显示值变化情况，若1分钟内显示值稳定，说明系统无泄露。确认无泄露后，泄压至零，并反复预压2~3次，方可正式测试。2.仪器常数的测定（1）调节恒温槽的温度至25±0.05℃。（2）仔细洗净样品管和毛细管，然后在滴液瓶中装满水。在样品管中加入适量的重蒸馏水，使水面与毛细管端面相切。将样品管恒温10分钟。注意毛细管必须与液面垂直。（3）松开与通大气玻璃管相连接的橡胶管，使系统与大气相同，按下数字压力计的“采零”键，对数字压力计采零，此时，压力计显示为0（将大气压参考为0）。再将通大气玻璃管密封。可按数字压力计的“单位”键来选择适合实验的压力单位。（4）打开滴液瓶活塞进行缓慢抽气，使气泡从毛细管口逸出。调节气泡逸出速度不超过20个/min，读出压力计所显示最大压力差数值，重复三次，取其平均值，即为P最大1。（若压力计显示最大数值不稳，须检查：毛细管是否洗净干燥；系统密闭性能是否良好；真空胶管内是否有水汽或污物窜入。）3.测定各浓度下正丁醇的表面张力松开通大气玻璃管，再样品管中换入以配置好的正丁醇水溶液，重复步骤（3）、（4），得到P最大2（注意：须从稀到浓依次进行，每次测量前必须用少量被测液洗涤样品管，尤其是毛细管部分，确保毛细管内外溶液的浓度一致）。五、数据记录和处理室温：℃大气压：kPa恒温槽温度：℃1.仪器常数测定标准物质σN·m-1数字压力计读数P最大kPa压力差平均值kPa仪器常数K123重蒸馏水2.不同浓度正丁醇溶液的最大压力差、表面张力和浓度，作σ~c关系曲线样品浓度%P最大/kPa压力差平均值kPaσN·m-11231＃2＃3＃4＃5＃6＃7＃8＃3.在σ~C曲线上任取8~10个点，分别作出切线，求得其Z值，根据式计算各浓度下的吸附量Γ，并画出Γ~C的关系图。浓度C%ZΓ/mol·m-2C1C2C3C4C5C6C7C8附录•1.由斜率求算吸附量Γ的方法如图19-3所示，在σ~c图上任找一点o,过o点作切线ab，此曲线的斜率为：而所以•2.不同温度下水的表面张力σ为：温度/℃20253035表面张力σ×103/N·m-172.7571.9771.1870.38σ~c图110cZcZmccZ1RTZTcRTc)(六、注意事项•1.测定用的毛细管一定要干净，否则气泡不能连续稳定地逸出，使压力计的读数不稳，且影响溶液的表面张力。•2.毛细管一定要保持垂直，管口端面刚好与液面相切。•3.读取压力差时，应取气泡单个逸出时的最大值。七、思考讨论题•1.表面张力为什么必须在恒温条件下进行测定？温度变化对表面张力有何影响？为什么？•2.实验时为什么溶液浓度以稀至浓测量为宜？•3.滴定速度过快，对实验结果有何影响？为什么？•4.测定中能否应用加压的方法来鼓泡？返回目录