实验38溶液表面张力的测定.doc

实验38 溶液表面张力的测定一最大气泡压力法
一、目的
①掌握最大气泡压力法测定溶液表面张力的原理和方法。
②了解影响表面张力测定的因素。
③熟悉利用吉布斯((Gibbs)吸附方程式计算吸附量与浓度的关系的方法。
二、基本原理
表面张力是液体的重要性质之一,液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小，到达临界温度时,表面张力趋近于零。液体的表面张力也与液体的浓度有关，在溶剂中加入溶质，表面张力就要发生变化。从热力学观点来看，液体表面缩小，导致体系总的自由能减少，为一自发过程。如欲使液体产生新的表面积，就需消耗一定量的功W，其大小与成正比：,而等温、等压下，如果，则，表面在等温下形成的新表面所需的可逆功等于吉布斯函数的增加,故亦叫比吉布斯函数，其单位是J.m-2。从物理学力的角度来看,是作用在单位长度界面上的力,故亦称表面张力(其单位为)。
表面张力的产生是由于表面分子受力不均衡引起的,当一种物质加人后,对某些液体(包括内部和表面)及固体的表面结构会带来强烈的影响,则必然引起表面张力(即比表面吉布斯函数)的改变。根据吉布斯函数最低原理，溶质能降低液体(溶剂)的表面吉布斯函数时,表面层溶质的浓度比内部大；反之，若使表面吉布斯函数增加,则溶质在表面的浓度比内部小。这两种现象都叫溶液的表面吸附。显然在指定温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力和溶液的浓度有关。从热力学方法可导出它们之间的关系式,即吉布斯（Gibbs）等温吸附方程式

式中 一吸附量(mol.m-2)；
―比表面吉布斯函数(J.m-2)或称表面张力()；
T―绝对温度(K)；
c―0溶液浓度(mol.m-3)；
R―气体常数（8.314J.mol-1.K-1）。
显然，当〈0时，〉0，称为正吸附；当>0，〈0，称为负吸附。
溶于溶剂中能使其比表面自由能显著降低的物质，称为表面活性物质(即产生正吸附的物质)；反之,称为表面惰性物质（即产生负吸附的物质）。
通过实验应用吉布斯方程式可作出浓度与吸附量的关系曲线。先测定在同一温度下各种浓度溶液的，绘出- c曲线，将曲线上某一浓度c对应的斜率代入吉布斯公式,就可求出吸附量,如图.102所示。
测定各平衡浓度下的相应表面张力，作出-c曲线,如图.102所示,并在曲线上指示浓度的点作一切线交纵轴于点N，再通过点作一条横轴 平行线交纵轴于点M，则有如下的关系式

由以上方法计箅出适当间隔(浓度)所对应的值，便可作出-c曲线,如图.103标有的虚线表示吸附已达饱和，此溶质的浓度再增加，表面浓度也不再增加，其表面张力也不继续下降。
测量表面张力的方法很多,如毛细管上升法、滴重法、拉环法等，而以最大气泡压力法较方便，应用颇多。其实验的基本原理如下：
如图.104所示将欲测表面张力的液体装于试管2 中，使毛细管1的端口与液体表面相齐，即刚接触液面，液面沿毛细管上升,打开滴液漏斗6的玻璃活塞5，滴液达到缓缓增压目的，此时毛细管1内液面上受到一个比管2内液面上大的压力，当此压力差稍大于毛细管端产生的气泡内的附加压力时,气泡就冲出毛细管。此压力差和气泡内的附加压力始终维持平衡。压力差可由压力计读出。
气泡内的附加压力

式中 —气泡的曲率半径；
一溶液的表面张力。
由与=，则

因为只有气泡半径等于毛细管半径时,气泡的曲率半径最小，产生的附加压力最大，此时压力计上的也最大。所以在测得压力计上的最大对应的即为毛细管半径。毛细管半径不易测得，但对同一仪器又是一常数，即常数,设为K，称做仪器常数，则式变为

我们用已知表面张力的液体测其最大压力差，则,代回上式可测任何溶液的值。
三、仪器与试剂
蒸馏水，乙醇溶液的质量分数分别为：6%、10%、15%、20%、25%、30%、50%、80%。
四、操作步骤
①用重量法配制质量分数为6%、10%、15%、20%、25%、30%、50%、80%。
的乙醇水溶液。
②仪器的清洗。将表面张力仪1、2用溶液浸泡数分钟后，用自来水及蒸馏水冲洗干净，不要再玻璃面上留有水珠，使毛细管有很好的湿润性。
③仪器常数的测定。在减压器中装满水，塞进塞子。使夹子4处于开放状态。在管2中注入少量蒸馏水，装好毛细管1，并使其尖端处刚好与液面接触（多余液体可用吸耳球吸出）。按图装好夹子，为检查仪器是否漏气，打开滴水增压，在微压差计上有一定压力显示，关闭开关，停1min左右，若微压差计显示的压力值不变，说明仪器不漏气。再打开开关5继续滴水增压，空气泡便从毛细管下端逸出，控制使空气泡逸出速度每分钟20个左右，可以观察到，当空气泡刚破坏时，微压差计显示的压力值最大，读取微压差计压力值至少3次，求平均值。由已知蒸馏水的表面张力查附表1及实验测得的压力值可算出K值。
④乙醇溶液系列表面张力的测定。先夹上夹子，然后把表面张力仪的蒸馏水倒掉，用少量待测溶液将内部及毛细管冲洗2～3次，然后倒入要测定的乙醇溶液。从最稀溶液开始，依次测较浓的溶液（为什么？）。此后，按照与测量仪器常数的相同操作进行测定。
将乙醇溶液测定完后，洗净管子及毛细管，依法重测一次蒸馏水的表面张力，与实验前测得蒸馏水的表面张力值进行比较，并加以分析。
⑤改变恒温水浴温度，按上述步骤测定35下乙醇系列表面张力。
六、思考题
①表面张力仪的清洁与否对所测数据有何影响？
②为什么不能将毛细管插进液体里去？
③液体表面张力的大小与哪些因素有关。
④气泡如出的很快，对结果各有什么影响？
⑤为什么不需要知道毛细管尖口的半径？
表.50水和空气界面上的表面张力（J/m2）

表面张力

表面张力

表面张力

0
75.64
19
72.90
30
71.18
5
74.92
20
72.75
31
70.38
10
74.22
21
72.59
32
69.56
11
74.07
22
72.44
33
68.74
12
73.93
23
72.28
34
67.91
13
73.78
24
72.13
35
67.05
14
73.64
25
71.97
36
66.18
15
73.49
26
71.82
37
64.42
16
73.34
27
71.66
38
62.61
17
73.19
28
71.50
39
60.75
18
73.05
29
71.35
40
58.85
七、参考文献
1傅献彩，沈文霞,姚天杨.物理化学.第4版.北京：高等教育出版社，1990
2孙尔康，徐维清，邱金恒.物理化学实验.南京：南京大学出版社，1997
3刘澄蕃，滕弘霓，王世权.物理化学实验.北京：化学工业出版社，2002
4崔献英，柯燕雄，单绍纯.物理化学实验.合肥：中国科学技术大学出版社，2000
八、附录0？-题精密龄压力计使用方法
1.前面板按键说明
⑴“单位”键
接通电源，初始状态kPa指示灯亮，LED显示以kPa为计量单位的压力值；按下单位键mmH2O或mmHg，指示灯亮，LED显示以mmH2O或mmHg为计量单位的压力值。
⑵“采零”键
在测试前必须按下采零键，使仪表自动扣除传感器零压力值(零点漂移)，以LED显示为“0000”，保证显示值为被测介质的实际压力值。
⑶“复位”键
按下此键，可重新启动CPU，仪表即可返回初始状态。一般用于死机时，在正常测试中,不需按此键。
2.预压及气密性检查
缓慢加压至满量程,观察数字压力表显示值变化情况,若1min内显示值稳定，说明传感器及其检测系统无泄露。确认无泄露后，泄压至零,并在全量程反复预压2～3次，方可正式测试。
3.采零
泄压至零,使压力传感器通大气，按下采零键，此时LED显示“0000”，以消除仪表系统的零点漂移。
注意 尽管仪表作了精细的补偿,但因传感器本身固有的漂移(如时漂)是无法处理的，因此,每次测试前都必须进行采零操作，以保证所测压力值的准确度。
4.测试
仪表采零后接通被测量系统，此时仪表显示被测系统的压力值。
5.关机
实验完毕，先将被测系统泄压后，再关掉电源开关。
为了保证数字压力计、恒温控制仪等精密仪表工作正常，没有专门检测设备的单位和个人，请勿打开机盖进行检修，更不许调整和更换元件，否则将无法保证仪表测量的准确度。
橡胶管与管路接口装置、玻璃仪器、数字压力计等相互连接时，接口与橡胶管一定要插牢，以不漏气为原则，保证能够实验系统的气密性。