...wd......wd......wd...測(cè)定正丁醇溶液中的吸附作用和外表張力——最大氣泡壓力法PB10。。。。。。。。。。。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)系摘要：本實(shí)驗(yàn)利用最大氣泡壓力法測(cè)定了液體外表張力，即測(cè)定氣體從毛細(xì)管口逸出時(shí)的氣壓，此時(shí)氣壓的作用力略大于毛細(xì)管口溶液的外表張力；并通過對(duì)不同濃度下外表活性物質(zhì)正丙醇溶液的外表張力和濃度之間的關(guān)系，求得溶液界面上的吸附量和單個(gè)正丁醇分子的截面積。關(guān)鍵詞：吸附作用外表張力最大氣泡壓力法外表活性物質(zhì)序言：液體外表的分子和內(nèi)部的分子所處的環(huán)境不同，因此能量也不同。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶液的外表張力時(shí)，外表層中溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部大，反之，溶質(zhì)使溶液的外表張力升高時(shí)，它在外表層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低。外表張力就是內(nèi)局部子對(duì)外表分子的作用力，它是液體的重要屬性之一，與所處的溫度、壓力、液體的組成共存的另一面的組成等因素都有關(guān)。對(duì)于溶液，由于溶質(zhì)會(huì)影響外表張力，因此可以調(diào)節(jié)溶質(zhì)在外表層的濃度來降低外表自由能。本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡法法測(cè)定液體不同濃度條件下的外表張力，由此計(jì)算溶液的外表自由能、最大吸附量、外表活性物質(zhì)正丁醇的橫截面積，并驗(yàn)證了外表化學(xué)的相關(guān)根基理論。實(shí)驗(yàn)局部：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在指定溫度和壓力下，吸附與溶液的外表張力及溶液的濃度有關(guān)。Gibbs用熱力學(xué)的方法推導(dǎo)出：在σ與c關(guān)系式和c、T值后可以求得吸附量Г。2.在一定溫度下，吸附量與溶液濃度之間的關(guān)系由Langmuir等溫式表示：為飽和吸附量，K為經(jīng)歷常數(shù)，與溶質(zhì)的外表活性大小有關(guān)。將上式轉(zhuǎn)化為直線方程，有：假設(shè)以～c做圖可得一條直線，由直線斜率可得。在飽和吸附的情況下，正丁醇分子在氣－液界面上鋪滿一層單分子層，則可用下式來求正丁醇分子的橫截面積：最大氣壓法測(cè)微壓差：當(dāng)外表張力儀中的毛細(xì)管截面與欲測(cè)液面相齊時(shí)，液面沿毛細(xì)管上升。翻開滴液漏斗的活塞，使水緩慢下滴而使體系內(nèi)的壓力增加，這時(shí)毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到一個(gè)比恒溫試管中液面上稍大的壓力，因此毛細(xì)管內(nèi)的液面緩慢下降。當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用里稍大于毛細(xì)管口溶液的外表張力時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口逸出。這個(gè)最大壓力差可以從微壓差測(cè)量?jī)x上讀出。如毛細(xì)管的半徑為r，氣泡由毛細(xì)管口逸出時(shí)受到向下的總作用力為πr2P最大而P最大＝P系統(tǒng)－P大氣壓＝hg假設(shè)用同一支毛細(xì)管和同個(gè)壓力計(jì)，在同一個(gè)溫度下，對(duì)兩種溶液而言，則得因此，可以求得不同濃度的σ值，并作出σ-c曲線，擬合得兩者關(guān)系式，轉(zhuǎn)而解決了1.中的問題。實(shí)驗(yàn)儀器及試劑CS501型超級(jí)恒溫水浴(重慶試驗(yàn)設(shè)備廠);DMP-2B型數(shù)字式微壓差測(cè)量?jī)x(南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所);恒溫套管;水泵;毛細(xì)管〔半徑為0.15—0.2mm〕，浸泡于鉻酸洗液中;100ml容量瓶〔7只〕;2ml移液管〔1支〕;正丁醇溶液〔分析純〕。三、實(shí)驗(yàn)步驟1、毛細(xì)管常數(shù)的測(cè)定：按實(shí)驗(yàn)裝置圖裝好儀器，翻開恒溫水浴，使其溫度穩(wěn)定于30℃。取一支浸泡在洗液中的毛細(xì)管依次次用自來水、蒸餾水反復(fù)清洗假設(shè)干次，同樣把玻璃套管也清洗干凈，加上蒸餾水，插上毛細(xì)管，用套管下端的開關(guān)調(diào)節(jié)液面恰好與毛細(xì)管端面相切，使樣品在其中恒溫10分鐘。在分液漏斗中參加適量的自來水，注意切勿使體系漏氣。然后調(diào)節(jié)分液漏斗下的活塞使水慢慢滴下，這時(shí)體系壓力逐漸減小，直至氣泡由毛細(xì)管口冒出，細(xì)心調(diào)節(jié)出泡速度，使之在5－10秒鐘內(nèi)出一個(gè)。注意氣泡爆破前數(shù)字式微壓差測(cè)量?jī)x的讀數(shù)，并用電腦采集數(shù)據(jù)得到最大的壓差值，求平均值而得。根據(jù)手冊(cè)查出25℃時(shí)水的外表張力為＝71.97×10-3N·m-1，以/h=K求出所使用的毛細(xì)管常數(shù)，此值控制在8cm左右為宜，否則毛細(xì)管太粗誤差較大，毛細(xì)管太細(xì)，易堵塞，氣泡很難逸出。本實(shí)驗(yàn)裝置圖2、不同濃度的正丁醇溶液外表張力的測(cè)定：用2mL移液管分別移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中，然后稀釋到刻度。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，按照由稀至濃的順序依次進(jìn)展測(cè)量。求得一系列濃度的正丁醇溶液的h。結(jié)果討論：實(shí)驗(yàn)結(jié)果1〕毛細(xì)管常數(shù)K=0.0981m。2〕外表張力σ與溶液濃度c的關(guān)系：σ=411.44c2-215.04c+71.8033〕極限吸附量Г=5.37*10-6mol/m2。4)正丁醇分子的橫截面積S0=0.309〔nm2〕而文獻(xiàn)值各種直鏈醇的分子截面積為0.274～0.289nm2，而本實(shí)驗(yàn)中測(cè)得為0.309nm2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近，偏大。[σ~c圖、Г~c圖、c/Г~c圖詳見后文數(shù)據(jù)處理]二、誤差分析：本次試驗(yàn)測(cè)得的正丁醇分子的橫截面積比理論值偏大；Г-c、c/Г-c圖與理論曲線大體吻合。本實(shí)驗(yàn)的誤差來源主要有：外表張力測(cè)量誤差：1〕由于毛細(xì)管管徑很小，當(dāng)正丁醇濃度增大時(shí)，體系粘度變大，管壁上容易吸附正丁醇分子，使得氣泡冒出很不規(guī)則，造成數(shù)據(jù)波動(dòng)很大；2〕實(shí)驗(yàn)要求毛細(xì)管底部與液面正好相切，并且毛細(xì)管完全垂直，但由于人眼分辨的差異等影響，這很難做到；且每次測(cè)量過程的相切情況各不一樣。3〕毛細(xì)管的粗細(xì)及磨損程度會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響；毛細(xì)管太粗則誤差較大，過細(xì)則易阻塞，氣泡難以逸出；4〕出泡速度會(huì)影響△P值的讀數(shù)，而出泡速度并不能準(zhǔn)確控制使得每次的速度一樣；而且在測(cè)量過程中偶爾出現(xiàn)氣泡很難逸出的情況，造成壓強(qiáng)測(cè)量值偏大；5〕其它系統(tǒng)誤差，如在每次改變測(cè)量溶液濃度之后，應(yīng)該用待測(cè)溶液反復(fù)清洗毛細(xì)管和恒溫套管，在實(shí)際操作中殘留是不可防止的，這樣使測(cè)量溶液的外表張力與實(shí)際溶液的濃度不一致，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差；恒溫槽溫度的小幅變動(dòng)；裝置氣密性不好，有些許漏氣會(huì)使測(cè)定最大壓力差值偏小。數(shù)據(jù)處理帶來的誤差在數(shù)據(jù)處理的過程中已經(jīng)舍去了一些不好的點(diǎn)，因而結(jié)果帶有一定的主觀性。實(shí)驗(yàn)中使用了濃度而不是活度。只有在稀溶液情況下，濃度才近似等于活度；導(dǎo)致計(jì)算的正丁醇分子截面積偏差較大。這一點(diǎn)從Г-c圖上明顯可以看出，在濃度變大后曲線有明顯的下降，與理論曲線存在較大的出入；2〕σ~c曲線擬合形式〔即選擇的多項(xiàng)式級(jí)次〕的不同會(huì)造成Γ~c圖及c/Г~c圖與理論情況的偏差。三、小結(jié)1〕本實(shí)驗(yàn)采用最大氣泡法測(cè)定液體不同濃度條件下的外表張力，由此計(jì)算溶液的外表自由能、最大吸附量、外表活性物質(zhì)正丁醇的橫截面積，并驗(yàn)證了外表化學(xué)的相關(guān)根基理論。2〕實(shí)驗(yàn)操作步驟簡(jiǎn)單，但造成誤差的因素較多，操作時(shí)要格外仔細(xì)：測(cè)定用的毛細(xì)管一定要先洗干凈，否則氣泡可能不能連續(xù)穩(wěn)定地通過，而使壓力計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定；毛細(xì)管要盡量垂直，管口要和液面剛好接觸，否則測(cè)得的數(shù)據(jù)將不只是液體外表的張力，還有插入局部液體的壓力；外表張力和溫度有關(guān)，因此要等溶液恒溫后再測(cè)量；控制好出泡速度，讀取壓力計(jì)的壓力差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。參考資料：1.《物理化學(xué)》〔南京大學(xué)物理化學(xué)教研室傅獻(xiàn)彩沈文霞姚天揚(yáng)編〕2.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)電子版講義〔中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉光明〕Abstract:Thisexperimentutilizedthebiggestbubblepressuremethod,whichmeansmeasuretheairpressurewhenbubbleisdefusingfromcapillarytube,thatmomentforceofairabitmorethanthesurfacetension,tomeasuresurfacetension.Than,onbasisofthelinkingbetweenthesurfacetensionofnormalbutanolliquidofdifferentconcentration,calculatetheamountofabsorptiononthesurfaceandthesectionsurfaceofonebutanolmolecule.Keywords：absorptioneffect;surfacetension;thebiggestbubblepressuremethod;surfaceactivesubstance附錄：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)：大氣壓：101.18Kpa恒溫槽溫度：30.00℃正丁醇的分子量M=74.21g/mol密度ρ=0.8098g/ml30.00℃時(shí)，水的外表張力σ=71.18*10-3N*m-1實(shí)驗(yàn)中分別用不同體積的正丁醇配制成Vo=100ml的溶液，溶液的濃度為C=ρV/〔MVo〕；數(shù)據(jù)記錄表如下：正丁醇用量ml0.000.400.801.201.602.002.402.80溶液濃度C/mol*l-10.000.04370.08740.13110.17480.21850.26220．3059△P1/mpa725.5646.8593.0502.0474.9451.7446.6530.5△P2/mpa725.1646.5591.8502.7472.1447.9451.5528.4△P3/mpa724.9644.5589.8503.4472.0447.1451.0530.2△P4/mpa725.3647.5590.3501.9472.5450.7452.2529.3△P5/mpa725.2644.0591.1502.7473.6446.6453.0531.6△P6/mpa724.8646.8590.7501.7471.9451.5449.3530.0平均△P/mpa725.1646.0591.1502.0472.4449.2450.6530.0正丁醇液σ/10-3N*m-171.1863.4158.0249.4746.3744.1044.2352.0225℃水的外表張力為σ=71.18*10-3N/m有上述數(shù)據(jù)可以得知，純水的△pH20=725.1mPa毛細(xì)管常數(shù)K‘=σ/△pH20=71.18*10-3/725.1*10-3=0.0981m由公式σi=K‘△pi可以得到不同濃度時(shí)正丁醇溶液的外表張力〔已填入上表，見最后一欄〕數(shù)據(jù)處理和分析〔Excel處理〕σ-c曲線根據(jù)理論，σ隨c變化應(yīng)該是遞減趨勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)隨著濃度的增大，毛細(xì)管下端冒泡越來越難控制，結(jié)果的準(zhǔn)確性也不如濃度小的情況，故舍去最后一點(diǎn)，重新作圖，并作多項(xiàng)式擬合，如下：可以看出來修正后的相關(guān)性更好。擬合得σ與C的關(guān)系式為：σ=411.44c2-215.04c+71.8032﹚對(duì)σ=411.44c2-215.04c+71.803求導(dǎo)后，得=822.28c-215.04單位：10-3N*mol-1*m2在光滑曲線上選取6個(gè)不同濃度點(diǎn)，帶入上述微分方程，得到6個(gè)不同濃度下的切線斜率。由，可以得到不同濃度溶液的吸附量的值，并計(jì)算c/的值，作-c和-c曲線。T=30.00+273.15=303.15K濃度mol/l0.020.040.080.120.160.20/N*mol-1*m2-0.198-0.182-0.149-0.116-0.083-0.051/10-6mol*m-21.5712.8894.7265.5235.2694.047/106m-112.7213.8416.9321.7330.3649.42-c曲線-c曲線3〕根據(jù)圖4的擬合結(jié)果，直線斜率為k=1.86*105mol-1*m2∵∴