實驗十四表面張力的測定

實驗十四 表面張力的測定 （最大氣泡壓力法測定溶液的表面張力）,實驗?zāi)康募耙?1.掌握最大氣泡壓力法測定表面張力的原理和技術(shù)。 2. 通過對不同濃度乙醇溶液表面張力的測定, 加深對表面張力、表面自由能和表面吸附量關(guān)系的理解。 3.測定不同濃度乙醇溶液的表面張力， 計算吸附量。,實驗原理,在液體的內(nèi)部任何分子周圍的吸引力是平衡的?？墒窃谝后w表面層的分子卻不相同。因為表面層的分子，一方面受到液體內(nèi)層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液體表面層中，每個分子都受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡力（如圖l所示）。,圖1 分子間作用力示意圖,這種吸引力使表面上的分子向內(nèi)擠,促成液體的最小面積。要使液體的表面積增大就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功增加分子的位能。所以說分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A，或增大一平方米所引起的表面自由能的變化值G，稱為單位表面的表面能其單位為J.m-2；而把液體限制其表面及力圖使它收縮的單位直線長度上所作用的力，稱為表面張力，其單位是N.m-1。,液體單位表面的表面能和它的表面張力在數(shù)值上是相等的。欲使液體表面積增加S時，所消耗的可逆功A為：,液體的表面張力與溫度有關(guān)，溫度愈高，表面張力愈小。到達(dá)臨界溫度時，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。液體的表面張力也與液體的純度有關(guān)。在純凈的液體(溶劑)中如果摻進(jìn)雜質(zhì)(溶質(zhì))，表面張力就要發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的本性和加入量的多少。,(1),當(dāng)加入溶質(zhì)后，溶劑的表面張力要發(fā)生變化。根據(jù)能量最低原理，若溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力，則表面層溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部的濃度大；如果所加溶質(zhì)能使溶劑的表面張力增加，那么，表面層溶質(zhì)的濃度應(yīng)比內(nèi)部低。這種現(xiàn)象稱為溶液的表面吸附。用吉布斯公式(Gibbs)表示：,式中：為表面吸附量(mol.m-2)，為表面張力（J.m-2）。,(2),0，溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度大于內(nèi)部的濃度，稱為正吸附作用。,(1),(2),0，<0，溶質(zhì)能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度小于內(nèi)部的濃度，稱為負(fù)吸附作用。,根據(jù)式（2），通過測定溶液的濃度隨表面張力的變化關(guān)系可以求得不同濃度下溶液的表面吸附量。,如圖2 是最大氣泡法測定表面張力的裝置。待測液體置于支管試管中，使毛細(xì)管端面與液面相切，液面隨時毛細(xì)管上升。打開滴液漏斗緩慢抽氣。此時，由于毛細(xì)管液面所受壓力大于支管試管液,圖2 最大氣泡法表面張力測定裝置 1-滴液漏斗，2-支管試管，3-毛細(xì)管，4-恒溫槽，5-壓差計,面所受壓力，毛細(xì)管液面不斷下降，將從毛細(xì)管緩慢析出氣泡。如圖3 所示。在氣泡形成的過程中，由于表面張力的作用，凹液面產(chǎn)生一個指向液面外的附加壓力P，因此有以下關(guān)系：,附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反比。,(4),圖3 氣泡形成過程,P大氣 = P系統(tǒng) + P （3）,若毛細(xì)管管徑較小，則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時，由于表面幾乎是平的，所以曲率半徑R極大；當(dāng)氣泡形成半球形時，曲率半徑R等于毛細(xì)管半徑r，此時R值最小。隨著氣泡的進(jìn)一步增大，R又趨增大，直至逸出液面。R=r時，附加壓力最大：,（5）,氣泡由毛細(xì)管口溢出的總作用力為 等于氣泡在管口受到的表面張力 如將表面張力為1 ， 2的兩種 液體采用同一種毛細(xì)管測量，則有：,由已知表面張力的水為標(biāo)準(zhǔn)，可求出其他液體的表面張力,（7）,(6),實驗中測出不同濃度乙醇水溶液的表面張力，以表面張力對濃度作圖得到一條曲線，從曲線中可以求出不同濃度時的,代入Gibbs吸附公式可計算出吸附量,吸附量與濃度之間的關(guān)系可以用Langmuir等溫吸附方程式表示：,（8）,式中，為飽和吸附量,k為經(jīng)驗常數(shù)。將上式整理得：,（9）,以c/對c 作圖可得到一條直線，其斜率的倒數(shù)為。,儀器與試劑,最大氣泡表面張力測定儀； 數(shù)字微壓差計； 蒸餾水； 乙醇（AR）；,實驗步驟和數(shù)據(jù)處理,1. 連接好測定裝置，用已知表面張力的水，測定出最大壓差，查出相應(yīng)溫度時的水的表面張力值，計算出儀器常數(shù)K的值。 2. 分別測定濃度為0.02/0.05/0.10/0.15/0.20mol/l的乙醇水溶液的最大壓差，根據(jù)儀器常數(shù)計算出表面張力值。 3. 做乙醇表面張力與濃度的關(guān)系曲線 由關(guān)系曲線分別求出濃度為 0.05/0.10/0.15/0.20/0.25mol/l時的,4.利用Gibbs吸附公式計算出各濃度下的吸附量,做C/與C的圖得一條直線，斜率為1/,