溶液表面张力的测定于超.doc

环33 于超 2003010361 2005.3.22

溶液表面张力的测定------最大气泡法
一、 实验目的
1. 用最大气泡法测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力。
2. 利用吉布斯公式计算不同浓度下正丁醇溶液的吸附量，进而求出正丁醇分子截面积和吸附分子层厚度。
3. 学会镜面法作切线的方法。

二、 实验原理
在液体内部，任何分子受周围分子的吸引力是平衡的，可是表面层的分子受内层分子的吸引与受表面层外介质的吸引并不相同，所以，表面层的分子处于力不平衡状态，表面层的分子比液体内部分子具有较大的势能，如欲使液体产生新的表面就需对其作功。在温度、压力和组成恒定时，可逆的使表面积增加所需作的功为
W=dA (1)
比例系数等于在等温等压下形成单位表面所需的可逆功，其比值等于作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表面张力。
在纯物质情况下，表面层的组成与内部的相同，但溶液的情况却不然，加入溶质后溶液的表面张力发生变化。根据能量最低原则，当溶质降低溶剂的表面张力时，表面层中的溶质的浓度比溶液内部的大；显然，在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的浓度及溶液的表面张力随浓度的变化率有关，从热力学可知，他们之间的关系遵守吉布斯吸附公式：
（2）
式中；

溶于溶液中能使其表面张力降低的物质称为表面活性物质，工业和日常生活中广泛应用的去污剂，乳化剂，润滑剂以及起泡剂等都是表面活性物质。它们的主要作用发生在界面上，所以研究这些物质的表面效应是有实际意义的。
如果作曲线，开始时随c的增加而下降较快，以后的变化比较缓慢。根据曲线，可以用作图法求出不同浓度的值。
在曲线上任取一点a，过a点作曲线的切线以及平行于横坐标的直线分令曲线上取不同的点，就可以得出不同的值，从而可以求出不同浓度下的吸附量。
吸附量与浓度之间的关系可以用朗格缪尔等温吸附方程表示。在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间有如下关系：
（3）
式中为饱和吸附量，k为常数。上式可以改写为如下形式：

（4）
若以对作图，应为一直线，其斜率的倒数即为
由于单位面积上的分子数为（为阿弗加德罗常数），所以每个分子在表面上所占的面积，即分子的截面积为：
（5）
我们还可以从下式求出表面活性物质饱和吸附分子层的厚度：
（6）
其中为溶质摩尔质量，为溶质密度。
本实验采用最大气泡法测定液体表面张力，原理如图31-2所示。
将待测液体装入大试管4中，使毛细管1的端面于液面相切，液面即沿毛细管上升。打开抽气瓶3的活塞抽气。毛细管内的液面上受到比试管4较大的压力，当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口的液体的表面张力时，气泡就从毛细管口被压出。这个最大的压力差值可由形压力计2读出：

式中形压力计两边读数之差，g为重力加速度，为压力计内液体的密度。
另一方面，当气泡在毛细管口逐渐长大时，其曲率半径逐渐渐小。气泡达到最大时便会破裂，此时曲率半径最小，等于毛细管半径R。这时气泡能承受的压力差最大，为它应等于

即 （7）
若用同一支毛细管和压力计，对两种具有不同表面张力和的液体进行测量，下列关系式成立：

故有 （8）
式中的值对于同一只毛细管及同一种压力计介质是常数，称作仪器常数。由已知表面张力的液体作标准求出常数，便可用上式求其它液体的表面张力。

三、 仪器与药品
表面张力仪1套；1000ml、500ml烧杯各一个；100ml容量瓶5个；50ml、25ml移液管各一支；滴管1支；洗耳球1个。0.4mol正丁醇水溶液。
四、 实验步骤及记录
3月22日 同组人：林甲 气压：101.6kpa 室温：18.0摄氏度
1. 溶液配制
用容量瓶及所给的正丁醇水溶液配制浓度分别为0.3、0.2、0.1、0.05、0.025的正丁醇水溶液。
先用0.4M溶液75ml配制100ml 0.3M的溶液，再取50ml 0.4M溶液于100ml容量瓶中，稀释至刻度，为0.2M溶液，再按照此方法，依次稀释，配出0.1M,0.05M,0.025M溶液。
2. 测定仪器常数
充分洗净大试管4及毛细管1，在大试管中注入适量蒸馏水，使毛细管端刚和液面垂直相切。将大试管安放在恒温水浴内，给抽气瓶3装满水。当温度恒定后打开抽气瓶的活塞，使瓶内的水缓慢滴出，打开三通，打开仪器电源，启动电脑，打开数据采集程序，单击开始，开始时屏幕上的曲线有小幅波动，经过10-20s后，待曲线稳定时，关闭三通，记录峰值，此时大试管逐步减压，有气泡形成，速度稳定（约50秒出一个气泡），屏幕上出现稳定的折线，峰值的出现和气泡的涌出几乎同步，峰值几乎在一条支线上，记录6-7个峰值，停止采样。准备采集正丁醇的数据。
3. 测定正丁醇溶液的表面张力
用同样的方法，采集不同浓度正丁醇溶液的数据，再由物理化学数据处理程序算出相应的数据和结果。溶液测试的顺序应为由稀至浓，注意每次测量前要用待测液荡洗大试管三次。
五、关键操作及注意事项
1. 一定要把大试管及毛细管洗干净，溶液配制一定要准确。
2. 毛细管一定要于液面垂直相切，出泡不可过速。
3. 抽气瓶的活塞调好后就不要再随便动，以保持系统的稳定性
六、数据处理
作图。

在曲线上取15个点，用镜面法做出各点的切线，求出值。

C(mol/l)
Z(N/M)
Γ(mol/m/m)x
C/Γ
0.025
0.0054115
2.21745
0.011274211
0.05
0.0081173
3.32617
0.015032304
0.075
0.0097407

0.1
0.010823
3.99141
0.025053803
0.125
0.0115961

0.15
0.0121759

0.175
0.0126269

0.2
0.0129876
4.43490
0.045096845
0.225
0.0132828

0.25
0.0135288

0.275
0.0137369

0.3
0.0139153
4.75168
0.063135565
0.325
0.0140699

0.3500001
0.0142052

0.3750001
0.0143246

作直线，由直线斜率求出，并计算出正丁醇分子的截面积及饱和吸附分子层厚度。

数据处理中所要求的饱和吸附量为Γ为6.6523E-6mol/m/m 分子的截面积为Q=2.4971E-19m*m分子层厚度d=5.9744E-10m
七、分析与讨论
误差分析
1 从表面吸附平衡来考虑，最大气泡法基本属动态法。由于气泡的形成速度较快，难以保证在气泡形成过程中表面吸附平衡的建立，特别是用目前通用的最大气泡法测定装置，控制好气泡以较慢速度形成并非易事，致使测定结果偏高.
2 实验时，样品管中所加液体必须与毛细管相切，实验时不易掌握，需要反复调节液，使气泡由毛细管口成单泡逸出，并控制气泡的形成频率。
3
体的体积，既费时间，又易引入杂质，影响实验结果的准确性。
改进
运用单一毛细管插入液面以下一定深度进行溶液表面张力测定，它既能够克服气泡逸出不稳定，难以调节毛细管端面正好与液面相切的缺点，能保证实验结果的准确性．具有操作简单、快速、准确度高等优点．
八、思考与讨论
1. 为什么说仪器的干净及样品的纯净是实验的关键？
仪器不干净或者样品不纯，会导致配制的溶液浓度有偏差，而溶液的表面张力与溶液的浓度直接相关，所以仪器不干净或者样品不纯会直接影响测量的结果，导致实验失败。
2. 气泡形成速度的快慢对结果有何影响？如果每次出2-3个气泡对结果有和影响？
气泡形成速度关系到峰值曲线测定的准确程度，出得太快，峰值太密，选择性不好；出得太慢，气泡与溶液接触时间太长，会使气体有部分溶于溶液中，导致测量结果不准，所以，要通过调节抽气瓶的活塞来控制气泡产生的速度，在允许的范围内，可以稍慢一些。如果每次出2-3个气泡，会使屏幕上的峰值有较大的波动，峰值位置相差较大，这样采集的数据就失去了有效性。
3. 为什么毛细管端口必须和液面相切？毛细管内径的均匀与否对结果有无影响？
因为本次实验要求测得是液体表面张力，数据必须从表层液体采集，而深层的液体浓度与表层不同，如果毛细管插得过深，测得的数据就有偏差，而毛细管如果没有和液面接触上，那就测不到表面张力，也不能观察到气泡产生。所以毛细管一定要和液面相切。如果毛细管内径不均会使端口与液面相接触气体的力学性质受到影响，所测的结果也会有影响，但具体偏大还是偏小还无法确定。
九、参考资料
1《物理化学实验》清华大学化学系物理化学实验编写组 1991
2《物理化学实验》南开大学化学物理化学教研室 1992
3《关于表面张力测定实验的两点讨论》 于网 山东建材学院应用化学系
4《溶液表面张力测定实验的方法改进》　龙立平，熊文高，李旺英　
湖南城市学院 化学与环境工程系