《最大氣泡壓力法測定液體的表面張力數(shù)據(jù)處理方法》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《最大氣泡壓力法測定液體的表面張力數(shù)據(jù)處理方法(5頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、溶液表面張力及吸附分子橫截面積的測定
實驗?zāi)康?
1. .學(xué)習(xí)用最大氣泡壓力法測定溶液的表面張力 b。
2. 了解用吉布斯方程在溶液表面吸附中的實驗應(yīng)用。
3. 了解溶液表面吸附分子的橫截面積的測量方法
實驗原理
1 .溶液表面的過剩物質(zhì)的量 r
表面張力(T (或比表面Gibbs函數(shù))是表面化學(xué)熱力學(xué)的重要性質(zhì)之一。純?nèi)軇┲腥?入溶質(zhì)形成溶液后,溶液的表面張力不同于純?nèi)軇?。按照溶液表面張力隨溶質(zhì)濃度的變化規(guī) 律可把溶質(zhì)分為三種情況。 溶液的表面張力隨溶質(zhì)濃度的增加而增大; 溶液的表面張力隨溶
質(zhì)濃度的增加而減小; 溶液的表面張力最初隨溶質(zhì)濃度的增加而急劇減小, 當(dāng)達(dá)到某一臨界
2、
濃度時,溶液的表面張力不再隨溶質(zhì)濃度的增加而變化,見圖 3-30。定量地描 述這一規(guī)律的方程是 Gibbs等溫吸附方程
(3-63)
濃度的變化
3-63)得到表面過剩物質(zhì)的量 ro
c d
RT dc t
式(3-63)中,F(xiàn)被Gibbs稱為表面過剩物質(zhì)的 量,單位為 mol m-2。對某些溶液系統(tǒng)(如電解 質(zhì)溶液系統(tǒng))式中的濃度c有時要用活度a代換。 由圖 3-30,對曲線 A, (d(r/dc)T>0, r < 0, 這種情況稱為負(fù)吸附。對曲線 B和C, (d(r/dc) tv 0, r >0,這種情況稱為正吸附。
本實驗研究正吸附的情況。只要獲得了溶
液表面張力隨溶質(zhì)
3、濃度的變化曲線,就可用微 分法得到某一濃度下的(db/dc)t,,然后依據(jù)方程
2。飽和表面過剩物質(zhì)的量與吸附分子的橫截面積
對于正吸附的情況,溶質(zhì)分子在溶液表面過剩物質(zhì)的量 r取決于溶質(zhì)在溶液本體的濃
度。在本體濃度較小時, r隨c的增加而增大,當(dāng)溶液表面已經(jīng)蓋滿一層溶質(zhì)分子時, r達(dá)
到最大,用符號r “表示。稱為飽和表面過剩物質(zhì)的量。
若以1/r對支(稱為表面壓力)作圖則得圖 3-31;式的定義如式(3-64):
(3-64)
n=(T 0 - (T
由圖3-31看出,當(dāng)式較大時(即濃度 c較小
時)1/r趨向于一個定值,此定值即 1/1”。由此 可求得『3。然后由式(
4、3-65)計算吸附分子的 橫截面積Ac。
1 , 、
Ac 一 (3-65)
r l
式(3-65)中 L 為 Avogadro 常量。
圖3-31 1/r?式關(guān)系曲線
3.最大氣泡壓力法測定液體的表面張力
測定液體表面張力的方法有最大氣泡壓力法、落球法、扭稱法、滴重法及毛細(xì)管上升
法等。本實驗采用最大氣泡壓力法。
儀器和藥品
最大氣泡壓力法表面張力測定儀(見實驗 34);下口瓶;恒溫水浴;無水乙醇( AR)
實驗步驟
1.用去離子水和無水乙醇配制下列無水乙醇水溶液
表3-8待測的無水乙醇水溶液的濃度 實驗溫度:25c
No。
1
2
3
4
5
6
5、
c 乙醇/ mol.L -1
0
2 .將待測液體15~30mL裝入洗凈烘干的磨口瓶 1中,蓋好磨口瓶蓋;將自來水注入 下口瓶8中,關(guān)好兩通閥10;如圖連接好各部分(方法見實驗 34);將磨口瓶1放入恒溫槽
中并用夾子夾牢,使整體垂直向下;將恒溫槽溫度控制在 25C,恒溫10~15分鐘后,打開
下口瓶8的放水活塞10,調(diào)整放水速率,使測量瓶的毛細(xì)管端每隔 6秒左右鼓出一個氣泡
(一次只能鼓一個氣泡,不可連續(xù)鼓泡?。粶y量毛細(xì)管鼓泡時的最大壓差 (方法同實驗34),
分別測出p細(xì)和p粗,然后有A p=p細(xì)-p粗。
3 .用2的方法依次測量表 3-8中各液
6、體樣品的A p。
數(shù)據(jù)處理
1、手工處理數(shù)據(jù)
(1)從教材附錄中查出純水的表面張力;用實驗 34的方法計算各無水乙醇水溶液的表
面張力。
(2)將各樣品的表面張力填入表 3-9中。
(3)用微分法求取o■?c曲線上每一個濃度下的斜率,即( d(r/dc) To
(4)用式(3-64)計算支。
(5)用式(3-63)計算各表面過剩物質(zhì)的量 r,并計算1/ro
(6)作(1/「)~n圖,由圖中求出 r”。
(7)用式(3-65)計算吸附乙醇分子的橫截面積 Ac。
(8)將上述計算的各個量填入表 3-9。
表3-9無水乙醇水溶液表面張力測定數(shù)據(jù)表 實驗溫度:25 C
No.
7、
1
2
3
4
5
6
c 乙醇/ mol L-1
A p / Pa
er / N m-1
(d(r/dc) t/ m L3 mol-1 N-1
r / mol m-2
(1/r ) / m2 mol-1
n / N m-1
r - / mol m-2
Ac / m2 ?
2、用微機處理數(shù)據(jù)
(1)擬合曲線方程
①打開微機的Excel界面,如圖3-32。
②將標(biāo)準(zhǔn)液體的表面張
8、力 b s和A ps及各濃度下的乙酉I水溶液的A px的數(shù)值分別代入式
(3-38)(見實驗34)計算不同濃度的乙醇水溶液的表面張力。然后將濃度 c及表面張力 的
值分別^^入到 Excel的A、B兩列中,如圖3-33。
圖 3-32 Microsoft Excel 界面
B
c
1
0
0. 07197
2
0. Z535 0. 06863
3
1.707
0. 050S1
4
256
0.14548
5
3. 414
0. 04349
6
4.267
0. 04089
7
5,12
0, 03316
8
9、& 354
0.0291
9
c/ihol.dni3
c /jtnN.nil
V 二| =_01 07197
1 A
圖3-33 計算表面張力的對話窗口
③在得到了濃度c和表面張力b之后,將A、B兩列選取,然后點擊窗口的作圖鍵, 便出現(xiàn)圖3-34對話窗口 -1。在圖表類型菜單中,選擇 XY散點圖,立即出現(xiàn)圖 3-35對 話窗口-2。在子圖表類型菜單中選擇某種類型,然后按下一廠門步卜下一步| | ,出
現(xiàn)圖3-36對話窗口 -3。點擊新工作表,然后點擊完北~可現(xiàn)圖 3-37對話窗口 -4。該對
話窗口中的曲線不是經(jīng)曲線擬合程序擬合的, 不符和要求。此時須用
10、鼠標(biāo)右鍵點擊線上
的任意一點,出現(xiàn)一個文字對話框。鼠標(biāo)左鍵點擊添加趨勢線之后,出現(xiàn)圖 3-38對話
窗口-5。選擇多項式;然后在階數(shù)窗口選擇 2;再點擊怛叫鍵,出現(xiàn)添加趨勢線窗口; 點擊顯示公式(E)和顯示R平方值,再點擊很按犍,出現(xiàn)圖 3-39。
圖3-34作圖對話窗口 -1
;m H ?1_ J * Tf ? I *?。ji
圖3-35作圖對t窗口 -2
n ■■ srttFc 環(huán)
■ I m ] I 欣11
圖3-37作圖對話窗口 -4
圖3-36 作圖對t窗口 -3
r 1
圖3-38作圖對話窗口 -5
圖3-39作圖對話窗口(已經(jīng)擬合 出所需的圓滑曲線
11、
(2)計算曲線在某點的斜率
將圖3-39中的擬合方程復(fù)制到 Excel表的C1中,然后將等號左側(cè)的 y去掉,對曲線
A
c
D
E
1
0
o. wm
-0l 011^1 Cl
;
0. SE35
0.典包會
-Cl 0Li2L
3.5 IE-06
3
1.7DT
0. OS081
-0.00 301
6 2E-C6
g
2.56
0. (M54S
-i. OL JS2
S. 07E-O.fi
5
3. 414
:.(H349
-O.OOGS2
9 12E-O6
6
4. Z67
12、0. CH039
-0.00543
9.34E-06
7
5, 12
J, 05316
-Q*取俯
B.74E-C5
S
3.究4
0.英羽
0.箕Q胎E
-1E期
9
c &GC.ds- 3
I
til -I =:形17思弘4》的S. I即
圖3-41計算表面過剩物質(zhì)的 量r
進(jìn)行微分,即彳#到方程(d(r/ dc) =y/。按回車鍵,并將公式復(fù)制;按下拉鍵并粘貼,便可 求出各濃度下的(dd dc),如圖3-40。
e am 由舊 日舊工學(xué) 力”gi 凡 E6
陟4-~N 工?式和用"「" eW J
13、AWT.ar]
圖3-42 乙醇水溶液的 1/r~式 曲線
思考題
1 .那些溶質(zhì)能在液態(tài)溶液表面發(fā)生正吸附,那些溶質(zhì)發(fā)生負(fù)吸附?
2 .溶液表面吸附法測定吸附分子的橫截面積對溶液的濃度有限制么?
3、用最大氣泡壓力法測定液體的表面張力對鼓泡速度有什么要求?連續(xù)鼓泡產(chǎn)生哪些 不利影響?
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14、3 0L0331S -0.0(K23-
H.354 0.0291 0.CDO296
由 I 口 ,Z m I (4 口心
圖3-40微分法求曲線某點的 斜率
(3)計算表面過剩物質(zhì)的量 r
有了曲線斜率之后, 依據(jù)式(3-63)在Excel工作表的D列編制計算F的程序。方法是:
=-$A1*$C1/(8.3145*298.15)。按回車鍵并復(fù)制該程序;按下拉鍵并粘貼,可計算各濃度
下的F,如圖3-41
(4)計算1/r和汽
在Excel工作表的E列計算支,程序:=0.07197-$B1回車。復(fù)制,按下拉鍵并粘
貼。在Excel工作表的F列計算1/T ,程序:=1/$D1回車。復(fù)制,粘貼。
(5)作(1/F) ~n圖
在Excel工作表中選取 E、F兩列,用作(r~ c曲線的方法作1/『~式圖,如圖3-42。
由圖 3-42 讀出(1/r.)為 114407.7m2 * * * * * * * 10.mo「1。則 F S=8.74 X 10-6mol.m-2。將 r.=8.74X
10-6mol.m-2代入式(3-65)可計算吸附乙醇分子的橫截面積。