最大泡压法测定溶液的表面张力.doc

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南昌大学物理化学实验报告
学生姓名：李江生 学号：5802216018
专业班级：安工161 实验日期：2018-3-27
实验二 最大泡压法测定溶液的表面张力
一、 实验目的 
1、掌握最大泡压法测定表面张力的原理及操作； 
2、了解表面张力、表面功、表面吉布斯函数、表面吸附的概念及相互关系;
3、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力。
二、 实验原理
液体表面层中的分子与体相中的分子所处的力场不同,内部分子所受合力为零,而表面层中的分子,所受到的作用力指向液体内部,这种作用力使表面层中的分子有离开液面进入内部的趋势,即液体表面有自动缩小的倾向。这种使液面收缩的单位长度上的力即为表面张力(γ,单位N·m-1)。液体的表面张力是液体的重要性质之一,与液体的温度、压力和组成均有关系。从热力学角度看,液体表面层中的分子比内部分子具有更高的平均位能,即表面吉布斯自由能(表面吉布斯函数)。通常把增加单位面积表面所引起系统的吉布斯函数的改变量称为单位表面吉布斯函数(单位为J·m-2)。它等于恒温恒压下增加单位面积表面,系统从外界得到的可逆非体积功,即单位表面功(单位为J·m-2)。表面张力与单位表面吉布斯函数、单位表面功虽为不同的物理量,但其量值与量纲均相同:

恒温恒压下,系统表面吉布斯函数减小的过程为自发过程。与纯液体依靠缩小表面积来低表面吉布斯函数不同,溶液除了缩小表面积,还可以通过改变表面层中溶质的浓度来降低表面吉布斯函数。
一定温度下,将溶质加入到纯液体中,会出现溶液表面层中溶质浓度与溶液本体浓度不同的现象,称为表面吸附。若溶质加入后溶液表面张力下降,则溶质将自动富集于表面层,这种情况称为正吸附;反之则为负吸附;单位面积表面层中溶质物质的量与溶液本体中等量溶剂所含溶质物质的量的差值,称为溶质的表面过剩3(也称为表面吸附量)。一定的温度、压力下,溶质的表面过剩与溶液表面张力、浓度之间的关系满足吉布斯吸附等温式：

式中,为溶质B的表面过剩,mol·;为溶质B在溶液本体中的平衡浓度,mol·;γ为溶液的表面张力,N·;T为热力学温度,K。
一定温度、压力下,测定一系列不同浓度()溶液的表面张力γ,作出γ-曲线。
本实验采用最大泡压法测定正丁醇水溶液的表面张力,研究正丁醇分子在溶液表面的吸附情况。最大泡压法所依据的原理是:将毛细管端口垂直与溶液表面相切,管内液体自动上升到一定高度。随着管内压强缓慢降低，外部压强缓慢加压于毛细管内,管内气体将其中的液体压至管口,在毛细管口处形成气泡并慢慢长大,气泡的曲率半径由大逐渐变小,当气泡的曲率半径与毛细管口半径刚好相等时,气泡为半球状,曲率半径最小,而后半径又逐渐变大。根据拉普拉斯方程可知,当气泡的曲率半径与毛细管口半径刚好相等时,泡内外压差最大,此时气泡所承受的压差为：

式中,为气泡内外最大压力差（取正值）,可通过数字式微压差测量仪测得;r为毛细管半径,实验时，它是定值。根据上式,可推出表面张力：
=×()/()（可通过查表获取）
继续减小压力,外部压强缓慢加压于毛细管内，气泡的曲率半径变大,气泡表面膜所能承受的附加压力变小,使毛细管中的气泡破裂或脱离管口溢出。
三、 仪器与药品
仪器：减压装置一套,数字式微压差测量仪1台,毛细管（内径为0.15~0.20mm)1支
药品：蒸馏水,正丁醇溶液（浓度为0.40mol·）
四、 实验步骤
1、 用蒸馏水和浓度为0.40mol·正丁醇溶液配制出浓度分别为0.2mol·、0.1mol·、0.05mol·、0.025mol·、0.0125mol·的正丁醇溶液。
2、 装好装置后（实验时，已事先装好了），打开微压差测量仪，在通大气的情况下按“采零”按钮。
3、 将毛细管及试样管用蒸馏水清洗三次,试样管加入适量蒸馏水。插入毛细管,调节毛细管的下端面恰好与试样管内液面垂直相切。
4、 打开分液漏斗的旋塞使水滴下,随着试样管内压力逐渐减小,气泡开始从毛细管下端口逸出。此时调节水的下滴速率使微压差测量仪示数缓慢增加,并且气泡单个单个地逸出，读取气泡生长过程中微压差测量仪示数的最大值。连续记录最高压差值三次,求其平均值,即（）。
5、将试样管中纯水倒掉,按照步骤(3)、(4)的方法,由稀到浓依次测定不同浓度的正丁醇溶液的最大压差值。每次更换溶液时需用待测试样液按少量多次的原则清洗毛细管及试样管。
五、 数据处理
1、实验数据列于如下表中：
实验温度：16.00℃； 大气压：101.89kPa； :73.34×N·
不同浓度正丁醇水溶液的表面张力数据
正丁醇溶液浓度c (mol/L）
次数1
/kPa
次数2
/kPa
次数3
/kPa
平均值
/kPa
γ
N·
0.00
0.660
0.652
0.661
0.6577
73.34
0.0125
0.646
0.653
0.653
0.6507
72.56
0.025
0.625
0.632
0.627
0.6280
70.03
0.05
0.605
0.604
0.607
0.6053
67.50
0.1
0.545
0.547
0.545
0.5457
60.85
0.2
0.512
0.515
0.513
0.5133
57.24
2、 以浓度为横坐标,表面张力γ为纵坐标作γ-c图：

六 思考题
(1) 用最大泡压法测定溶液表面张力的原理是什么?如何求不同浓度正丁醇溶液的表面张力?
答：见实验原理
(2) 某同学在实验过程中不小心将毛细管打破,换用另一根毛细管继续进行实验,问是否可行?为什么?
答：不行，毛细管半径发生了改变，使不能用公式：
=×()/()
来计算表面张力。
(3)如果将毛细管下端面插入被测液体内,将给所测液体表面张力带来什么影响？
答：如果这样的话，实验测得的压强包括毛细管中液柱压出所需的压强和气泡产生形成的压强，使测量结果偏大。
七、 实验结果与讨论
与查找到的文献及书中给出图表对照，绘制出的曲线不是很符合特征(标准)曲线，可能是实验数据误差较大引起的，可能由以下原因引起:
  (1)出泡速率太快。因为出泡速率快将使表面活性物质来不及在气泡表面达到吸附平衡，也将使气体分子间摩擦力和流体与管壁间的摩擦力增大，这将造成压力差增大，使表面张力测定值偏高。所以要求从毛细管中溢出的气泡必须单泡溢出，有利于表面活性物质在表面达到吸附平衡，并可减少气体分子及气体与管壁之间的摩擦力，才能获得平衡的表面张力。
  (2)毛细管插入溶液中的深度控制得不够好。假如毛细管尖端插入液下，会造成压力不只是液体表面的张力，还有插入部分液体的静压力。为了减少静压力的影响，应尽可能减少毛细管的插入深度，使插入深度接近0。
该实验装置中，随着滴液漏斗中水的不断流出，滴液的速度会减慢，装置的此处有待改进。另外，毛细管的竖直，对于测定结果也有一定的影响。
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