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1、化學(xué)化工實驗中心,物理化學(xué)實驗課件,制作：張躍華 張其平,,最大泡壓法測定溶液的表面張力,1、了解表面張力的性質(zhì)，表面自由能的意義及表面張力和吸附的關(guān)系 2、掌握一種測定表面張力的方法最大氣泡法 3、測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力，計算表面吸附量,一、實驗?zāi)康?（一）表面自由能（表面張力） 從熱力學(xué)的觀點來看，液體的表面縮小是一自發(fā)過程，這是使總的自由能減小的過程，如欲使液體產(chǎn)生新的表面S，就需對外做功，其大小與S成正比： -A=S 為液體的表面自由能，亦稱表面張力（單位為Jm-2）。它表示了液體表面自動縮小趨勢的大小，其量值也液體的成分、溶質(zhì)的濃度、溫度及表面氣氛等因素有關(guān)。 （二）溶液的
2、表面吸附 純物質(zhì)表面層組成與內(nèi)部組成相同，因此純液體降低表面自由能的唯一方法是盡可能縮小其表面積。對于溶液，由于溶質(zhì)能使溶劑表面張力發(fā)生變化，因此可以通過調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的濃度來降低表面自由能。 根據(jù)能量最低原則，當(dāng)溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時，它在表面層中的溶質(zhì)濃度比溶液內(nèi)部的大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時，它在表面層中的濃度比溶液內(nèi)部的濃度低，這種表面濃度和內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。,二、實驗原理,,最大泡壓法測定溶液的表面張力,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有關(guān)，從熱力學(xué)方法可知它們之間的關(guān)系遵守吉布斯（Gibbs）方程：,二、實驗原理,,
3、最大泡壓法測定溶液的表面張力,式中： 為吸附量（molm-2）；T為絕對溫度（K）；c為溶液濃度（molL-1）；R為摩爾氣體常數(shù)。 當(dāng) 0, 稱為負(fù)吸附； 當(dāng) 0 時， < 0, 稱為負(fù)吸附。,二、實驗原理,最大泡壓法測定溶液的表面張力,,有些物質(zhì)溶入溶劑以后，能使溶劑的表面張力顯著降低，這類物質(zhì)被稱為表面活性物質(zhì)。工業(yè)和日常生活中被廣泛使用的去污劑、乳化劑、潤濕劑以及起泡劑等等都是表面活性物質(zhì)。 以表面張力對濃度作圖，可得到-c曲線，開始隨濃度增加而迅速下降，以后的變化比較緩慢。在-c曲線上任選一點作切線，即可得該點所對應(yīng)濃度的斜率 。,本實驗采用最大氣泡法測定乙醇水溶液的表面張
4、力，通過乙醇水溶液的表面張力和濃度的關(guān)系求出表面吸附量，儀器裝置如圖：,二、實驗原理,最大泡壓法測定溶液的表面張力,,,將待測溶液裝入大試管中，使毛細(xì)管與的端面與溶液相切，液面即沿毛細(xì)管1上升，打開抽氣瓶3的活塞抽氣，毛細(xì)管內(nèi)的液體受到比大試管4內(nèi)較大的壓力，當(dāng)此壓力差在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管中液體的表面張力時，氣泡就從毛細(xì)管中被壓出，這個最大壓力差值可由U型壓力計2讀出： Pmax =hg 式中h為U型壓力計兩邊讀數(shù)之差；g為重力加速度，為壓力計內(nèi)液體的密度。另一方面，當(dāng)氣泡在毛細(xì)管內(nèi)逐漸長大時，其曲率半徑逐漸變小，氣泡達(dá)到最大時便會破裂，此時曲率半徑最小，等于毛細(xì)管半徑R。這
5、時氣泡能承受的壓力最大，為2/R，它應(yīng)等于Pmax； hg=2/R，即 = hgR/2 若用同一支毛細(xì)管，同一壓力計，對兩種具有表面張力1，2的液體而言，則有下列關(guān)系式： 1 = h1gR/2；2 = h2gR/2,二、實驗原理,最大泡壓法測定溶液的表面張力,,,如2為已知，則 ，故,用已知表面張力為2的液體作為標(biāo)準(zhǔn)，用上式即可求得其它液體的表面張力，2/h2作為儀器常數(shù)K。 溶液濃度的測定應(yīng)用折光率與組成的對應(yīng)關(guān)系，首先測定一系列已知濃度溶液的折光率，作出折光率和濃度的工作曲線，然后測定待測溶液的折光率，即可在工作曲線上求出其濃度。,三、實驗儀器和藥品,表面張力儀 阿貝折光儀
6、小燒杯 無水乙醇,最大泡壓法測定溶液的表面張力,四、實驗步驟,首先將預(yù)先洗凈的表面張力儀大試管（包括毛細(xì)管）放入恒溫槽中恒溫，然后將抽氣瓶中加入水，到與側(cè)面支管相齊為止，在大試管中注入蒸餾水，并使液面正好與毛細(xì)管相切，調(diào)節(jié)恒溫槽中大試管的位置，使大試管垂直放置。然后打開抽氣瓶活塞，使盛在管中的水緩慢流出而使系統(tǒng)內(nèi)逐步減壓，這樣，在氣泡脫出的一瞬間，可以很容易地讀出U形壓力計內(nèi)液面的高度。 當(dāng)氣泡形成的頻率穩(wěn)定時（約每分鐘20個氣泡），就注意壓力計兩邊的高度，記錄壓力兩邊最高和最低讀數(shù)三次，求其平均值，即可求出儀器常數(shù)K。 測定乙醇溶液表面張力與濃度的關(guān)系 以同樣方法將大試管中換以不同濃度的乙醇
7、溶液，測出不同的壓力差，再用公式求出表面張力。 乙醇水溶液的濃度由阿貝折光儀測定。,最大泡壓法測定溶液的表面張力,五、數(shù)據(jù)處理,（一）數(shù)據(jù)表,此表作為參考，根據(jù)實際需要變更,最大泡壓法測定溶液的表面張力,,,,,,,,,,,表1 乙醇溶液的濃度與表面張力的關(guān)系,五、數(shù)據(jù)處理,（一）數(shù)據(jù)表,此表作為參考，根據(jù)實際需要變更,最大泡壓法測定溶液的表面張力,,,,,,,,,,,表2 乙醇溶液的濃度與表面吸附量的關(guān)系,五、數(shù)據(jù)處理,最大泡壓法測定溶液的表面張力,,（二）用坐標(biāo)紙，作折光率對乙醇濃度的工作曲線，從工作曲線上查找乙醇溶液的濃度。 （三）根據(jù)不同乙醇溶液用表面張力儀所測得的壓力差，計算不同乙醇
8、溶液的表面張力。 （四）用坐標(biāo)紙，作表面張力對乙醇濃度的關(guān)系曲線，在曲線上取10-15個點作曲線的切線求的各點的切線斜率 ，又斜率計算表面吸附量。 （五）用坐標(biāo)紙，作 的關(guān)系曲線，求的飽和吸附量 。,六、注意事項,（一）一定要把大試管及毛細(xì)管洗干凈，溶液和毛細(xì)管要相切 （二）毛細(xì)管和液面要垂直，出泡不可太快 （三）讀取壓力計的最大氣泡Pmax時，應(yīng)是氣泡逸出時的最大壓力差，應(yīng)保持體系密封,最大泡壓法測定溶液的表面張力,七、思考題,（一）為什么毛細(xì)管端應(yīng)與液面相切？ （二）毛細(xì)管潔凈與否對所測數(shù)據(jù)有何影響？ （三）為什么壓力計中盛水或乙醇而不放汞？ （四）滴液速度過快或過慢對實驗有何影響？為什么？,最大泡壓法測定溶液的表面張力,八、附錄,最大泡壓法測定溶液的表面張力,不同溫度下水的表面張力,,
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