1、 深 圳 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 課程名稱： 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)(1) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱： 最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力 學(xué)院： 化學(xué)與化工學(xué)院 專業(yè)： 應(yīng)用化學(xué) 指導(dǎo)教師： 周曉民 報(bào)告人： 賴思香 學(xué)號(hào)： 2011140146 班級(jí)： 11應(yīng)用化學(xué)01班 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2013-05-10 實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間： 2013-05-31 教務(wù)處制 實(shí)驗(yàn)五 最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解表面張力的性質(zhì)，表面、表面自由能的意義以及表面張力和吸附的關(guān)系。2. 掌握用最大氣泡壓法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)。 3. 測(cè)定不同濃度正丁醇/水溶液的表面張力，計(jì)算表面吸附量和正丁醇分子的橫截面積。二 實(shí)驗(yàn)

2、原理從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，液體表面縮小是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，這是使體系總自由能減小的過(guò)程，欲使液體產(chǎn)生新的表面A，就需對(duì)其做功，其大小應(yīng)與A成正比: (1) 如果A為1m2，則-W=是在恒溫恒壓下形成1m2新表面所需的可逆功，所以稱為比表面吉布斯自由能，其單位為J·m-2。也可將看作為作用在界面上每單位長(zhǎng)度邊緣上的力，稱為表面張力，其單位是N·m-1。在定溫下純液體的表面張力為定值，當(dāng)加入溶質(zhì)形成溶液時(shí)，表面張力發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的性質(zhì)和加入量的多少。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時(shí)，表面層中溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時(shí)，它在表面

3、層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低，這種表面濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度之間的關(guān)系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程: (2) 式中，為溶質(zhì)在表層的吸附量;為表面張力;C為吸附達(dá)到平衡時(shí)溶質(zhì)在介質(zhì)中的濃度。 當(dāng) <0時(shí)，>0稱為正吸附；當(dāng) >0時(shí)，<0稱為負(fù)吸附。吉布斯吸附等溫式應(yīng)用范圍很廣，但上述形式僅適用于稀溶液。 引起溶劑表面張力顯著降低的物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)，被吸附的表面活性物質(zhì)分子在界面層中的排列，決定于它在液層中的濃度，這可由圖-23-1看出。 圖-23-1中(1)和(2)是不飽和層中分子的排

4、列，(3)是飽和層分子的排列。 當(dāng)界面上被吸附分子的濃度增大時(shí)，它的排列方式在改變著，最后，當(dāng)濃度足夠大時(shí)，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層，分子排列方式如圖-23-1(3)所示。這樣的吸附層是單分子層，隨著表面活性物質(zhì)的分子在界面上愈益緊密排列，則此界面的表面張力也就逐漸減小。如果在恒溫下繪成曲線=f(C)(表面張力等溫線)，當(dāng)C增加時(shí)，在開(kāi)始時(shí)顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來(lái)，以至的變化很小，這時(shí)的數(shù)值恒定為某一常數(shù)(見(jiàn)圖-23-2)。利用圖解法進(jìn)行計(jì)算十分方便，如圖-23-2所示，經(jīng)過(guò)切點(diǎn)a作平行于橫坐標(biāo)的直線，交縱坐標(biāo)于b點(diǎn)。以Z表示切線和平行線在縱坐標(biāo)上截距間的距離，顯然

5、Z的長(zhǎng)度等于 ， 圖-23-1 被吸附的分子在界面上的排列圖 -23-2 表面張力和濃度關(guān)系圖            (3) 以不同的濃度對(duì)其相應(yīng)的可作出曲線，=f(C)稱為吸附等溫線。 根據(jù)朗格謬爾(Langmuir)公式: (4) 為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時(shí)的， (5) 以C/對(duì)C作圖，得一直線，該直線的斜率為1/。 由所求得的代入A=1/L可求被吸附分子的截面積(L為阿佛加得羅常數(shù))。 若已知溶質(zhì)的密度，分子量M，就可計(jì)算出吸附層厚度    &

6、#160;                                                 &

7、#160;               測(cè)定溶液的表面張力有多種方法，較為常用的有最大氣泡法和扭力天平法。三 儀器和試劑 表面張力測(cè)定裝置一套, DPA精密數(shù)字壓力計(jì) 蒸餾水H2O, 洗耳球，滴管，1000mL燒杯 ，100mL小燒杯 0.05、0.1 、0.2 、0.3 、0.4 、0.5 、0.7 moldm-3 正丁醇水溶液四 實(shí)驗(yàn)步驟1. 開(kāi)啟DPA精密數(shù)字壓力計(jì)的電源開(kāi)關(guān)，預(yù)熱5min。減壓瓶?jī)?nèi)注入水，開(kāi)啟減壓瓶上方的旋塞使系統(tǒng)與大氣相通，按DPA精密數(shù)字

8、壓力計(jì)的“采零”鍵，使讀數(shù)為零，然后再將減壓瓶上方的旋塞關(guān)閉。2. 測(cè)定管中注入蒸餾水，使管內(nèi)液面剛好與毛細(xì)管口相接觸，慢慢打開(kāi)抽氣瓶活塞排水，當(dāng)氣泡形成的速度保持穩(wěn)定時(shí)，記錄最大的壓強(qiáng)差，重復(fù)測(cè)量3遍，記錄。3. 同上法，測(cè)量0.05、0.1 、0.2 、0.3 、0.4 、0.5 、0.7 mol·dm-3正丁醇水溶液。4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，徹底洗凈測(cè)定管，注入蒸餾水到和毛細(xì)管相切位置。關(guān)閉儀器的電源。整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)面。五 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 實(shí)驗(yàn)溫度 28.7 氣壓： 101.90 Kpa濃度/ moldm-3水0.050.10.20.30.40.50.7p1/kPa-0.674-0.577-

9、0.526-0.475-0.443-0.385-0.336-0.290p2/kPa-0.673-0.575-0.528-0.476-0.436-0.384-0.336-0.289p3/kPa-0.672-0.574-0.527-0.475-0.434-0.383-0.337-0.290p平均/kPa-0.673-0.575-0.527-0.475-0.438-0.384-0.336-0.290六 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1.調(diào)用Excel專用程序計(jì)算各溶液的表面張力，繪制c等溫線，求出不同濃度溶液的表面吸附量。2. 繪制C/-C 圖，由直線的斜率為1/求出飽和吸附量3.正丁醇分子的橫截面積A=1/LA=1

10、/L=1/(3.36E-5×6.02E23)m2=4.94E-20 m2七 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 本實(shí)驗(yàn)利用表面張力性質(zhì)，用最大泡壓法測(cè)定不同濃度的正丁醇溶液的表面張力以及其表面吸附量，實(shí)驗(yàn)得到lnc- 等溫線方程y=-0.0832x+2.4047，R2=0.9533，相關(guān)性比較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比較可靠，斜率為負(fù)值，則表面吸附量為正值，實(shí)驗(yàn)測(cè)定為正吸附情況。 本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的最大原因是難以調(diào)節(jié)毛細(xì)管端面與液面相切，以及肉眼觀察記錄的最大壓強(qiáng)差有一定的誤差。以及氣泡的逸出速率也是一個(gè)較難控制的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣泡過(guò)快逸出的現(xiàn)象。八 注意事項(xiàng)1. 抽氣瓶放水的速率不能過(guò)快，抽氣瓶中的

11、蒸餾水小于一半時(shí)應(yīng)將燒杯中的水注入抽氣瓶中。2. 測(cè)定管潤(rùn)洗時(shí)彎管口中不能進(jìn)水。3.加入待測(cè)液時(shí)應(yīng)從測(cè)定管的彎管口對(duì)側(cè)加入，并且盡量不要使待測(cè)液進(jìn)入到彎管里面。九 思考題1. 為什么保持儀器和藥品的清潔是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵？答：雜質(zhì)對(duì)溶液的表面張力影響非常大，一般情況下，鹽會(huì)降低液體表面張力，油脂類物質(zhì)使液體的表面張力增大，所以如果儀器和藥品不清潔則表面張力的測(cè)定不準(zhǔn)確。2. 為什么毛細(xì)管應(yīng)平整光滑，安裝時(shí)要垂直并剛好接觸液面？答：(1)氣泡形成半球形時(shí)曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等達(dá)最小值，附加壓力達(dá)最大值，由公式可求出被測(cè)液體的表面張力。故為得到半球形氣泡，毛細(xì)管尖端應(yīng)平整光滑。(2)如果毛細(xì)管尖端插入液下，會(huì)造成壓力不只是液體表面的張力，還有插入部分液體的壓力。3. 如果將毛細(xì)管末端插入到溶液內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量行嗎?為什么?答：不行，如果將毛細(xì)管末端插入到溶液內(nèi)部，會(huì)在毛細(xì)管中產(chǎn)生一段水柱，產(chǎn)生