實(shí)驗(yàn)七-最大氣泡壓力法測(cè)定溶液的表面張力

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寧波工程學(xué)院 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)名稱 最大氣泡壓力法測(cè)定溶液的表面張力 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．掌握最大氣泡壓力法測(cè)定表面張力的原理和技術(shù)。 2．通過對(duì)不同濃度乙醇溶液表面張力的測(cè)定，加深對(duì)表面張力、表面自由能、表面張力和吸附量關(guān)系的理解。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1、 表面濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。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之間的關(guān)系遵循吉布斯吸附等溫式： Γ = –（c/RT）*（dγ/dc） ① 式中，Г為溶液在表層的吸附量；γ為表面張力；c為吸附達(dá)到平衡時(shí)溶液在介質(zhì)中的濃度。 根據(jù)朗格謬爾（Langmuir）公式： Γ =?！轐c/（1＋Kc） ② ?！逓轱柡臀搅?，即表面被吸附物鋪滿一層分子時(shí)的Γ∞ c/Γ =（1＋Kc）/（?！轐） = c/?！蓿?/?！轐 ③ 以c/Г對(duì)c作圖，則圖中該直線斜率為1/Г∞。 由所得的Г∞代入Am=1/Г∞L可求被吸附分子的截面積（L為阿伏伽德羅常數(shù)）。 2、 本實(shí)驗(yàn)用氣泡最大壓力法測(cè)定溶液的表面張力，其儀器裝置如圖1所示： 圖1、最大氣泡壓力法測(cè)量表面張力的裝置示意圖 1、 恒溫套管；2、毛細(xì)管（r在0.15～0.2mm）；3、U型壓力計(jì)（內(nèi)裝水）；4、分液漏斗；5、吸濾瓶；6、連接橡皮管。 將待測(cè)表面張力的液體裝于表面張力儀中，使毛細(xì)管的端面與液面相切，液面即沿毛細(xì)管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到一個(gè)比A瓶中液面上大的壓力，當(dāng)此壓力差——附加壓力（△P=P大氣–P系統(tǒng)），附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關(guān)系式為： ΔP=2γ/R ④ 式中，ΔP為附加壓力；γ為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。 根據(jù)上式，R=r時(shí)的最大附加壓力為： ΔP最大= 2γ/r ⑤ 實(shí)際測(cè)量時(shí)，使毛細(xì)管端剛與液面接觸，則可忽略氣泡鼓起所需克服的靜壓力，這樣就可以直接用上式進(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)將其它參數(shù)合并為常數(shù)K時(shí)，則上式變?yōu)椋? γ=KΔP最大 ⑥ 式中儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)得。 三、儀器藥品 1、儀器：最大泡壓法表面張力儀1套，洗耳球1個(gè)，移液管(50ml和10ml)各一支，燒杯（500mL）。 2、藥品：正丁醇（分析純），蒸餾水。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1、儀器的準(zhǔn)備與檢漏 將表面張力儀容器和毛細(xì)管先用洗液洗凈，再順次用自來水和蒸餾水漂洗，烘干后按圖5-9接好，檢查是否漏氣。 2、儀器常數(shù)的測(cè)定 調(diào)節(jié)液面與毛細(xì)管相切，并調(diào)節(jié)分液漏斗，使氣泡由毛細(xì)管尖端成單泡逸出，且速度控制在每分鐘形成氣泡5~10個(gè)（數(shù)顯微壓差測(cè)量?jī)x為5~10s），當(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓力計(jì)中液位差達(dá)到最大值，當(dāng)顯示的最大值比較穩(wěn)定時(shí)，記下數(shù)據(jù)，重復(fù)調(diào)節(jié)2次并記下相應(yīng)的數(shù)值。再由手冊(cè)查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)水的表面張力，求得儀器常數(shù)K。 3、表面張力隨溶液濃度變化的測(cè)定 在上述體系中，按濃度從高到低的順序依次測(cè)定預(yù)先配好的正丁醇溶液的△P最大值，每次置換溶液前都先用溶液潤(rùn)洗2次，再按2方法測(cè)定。 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理 1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄 恒溫槽溫度 室溫 大氣壓 γ水 25℃ 26.5℃ 99.66KPa 71.1810-3N.m-1 c mol.dm-3 ΔP最大 ΔP最大，1 ΔP最大，2 ΔP最大，3 γ N/m Γmol*m-2 c/Γ107 m-1 水 628.3 631 627 627 0.07118 — — 0.02 610.0 610 610 610 0.06911 1.612*10-6 1.241 0.04 561.7 561 561 563 0.06364 2.953*10-6 1.355 0.06 538.3 540 538 737 0.06099 4.022*10-6 1.492 0.08 510 510 510 510 0.05778 4.820*10-6 1.660 0.10 490.7 490 490 492 0.05560 5.347*10-6 1.870 0.12 452.3 454 451 452 0.05125 5.603*10-6 2.142 0.16 442.7 443 443 442 0.05016 5.301*10-6 3.018 0.20 402 401 402 403 0.04555 3.914*10-6 5.110 0.24 393.7 395 392 394 0.04461 1.442*10-6 16.643 2、計(jì)算儀器常數(shù)K值 ∵γ = KΔp ∴K=γ水/ΔP最大=0.07118/628.3=1.13310-4m 根據(jù)K值得到一組γ值，γ= KΔp 以γ(N/m)--c (mol.m-3)作圖如下: 根據(jù)上圖，可以得到γ-c的關(guān)系式為γ=4.2020210-7c2-2.1659310-4c+0.07251 由此得到dγ/dc=8.4040410-7c-2.1659310-4，其中c的單位為mol.m-3 根據(jù)Γ = –（c/RT）*（dγ/dc） 便可求出不同濃度下的Γ 和c/Γ ，結(jié)果見上表 3、繪制Γ-c等溫線 通過公式Γ = –（c/RT）/（dγ/dc）就得一組Γ。 以Γ10-6mol.m-2-- c /（ mol.m-3）作圖如下： Γ-c等溫線 4、計(jì)算Am c/Γ-c等溫線 從圖中得出：斜率1/?！?5.298*105 即Γ∞=1.888*10-6 molm-2 所以，Am=1/?！轑 =1/（1.888*10-6*6.02*1023） =8.798*10-19 m2 六、注意事項(xiàng) 1.儀器系統(tǒng)不能漏氣。 2.所用毛細(xì)管必須干凈、干燥，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切。 3.讀取壓力計(jì)的壓差時(shí)，應(yīng)取單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。 七、結(jié)果與討論 1、這次的實(shí)驗(yàn)操作的步驟很簡(jiǎn)單，就是實(shí)驗(yàn)量比較大，數(shù)據(jù)比較容易產(chǎn)生誤差。從得到的c/Γ-c等溫線來看，得到的數(shù)據(jù)不是很理想，擬合出的直線不夠精確。可能的原因有：①液面沒有跟毛細(xì)管底部完全相切；②沒有等到氣泡穩(wěn)定了再讀數(shù)。 2、本實(shí)驗(yàn)是通過測(cè)最大氣泡來測(cè)定溶液的表面張力，計(jì)算過程中巧妙地用求導(dǎo)的方法間接地來求出τ-c的切線。所用的毛細(xì)管必須干凈，干燥，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切；讀取壓力計(jì)的壓差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)溢出時(shí)的最大壓力差。 3、使用的張力管及毛細(xì)管的洗滌要徹底。如果毛細(xì)管洗滌不干凈，不僅影響表面張力值，而且會(huì)使氣泡不能有規(guī)律地單個(gè)連續(xù)逸出。毛細(xì)管插入溶液中的深度直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，這是因?yàn)槿芤旱撵o壓力會(huì)增加對(duì)氣泡壁的壓強(qiáng)，為了減少靜壓力的影響，應(yīng)盡可能減少毛細(xì)管的插入和深度，使插入深度與液面剛好相切。 八、思考題 1.毛細(xì)管尖端為何必須調(diào)節(jié)得恰與液面相切？否則對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？ 答：如果將毛細(xì)管末端插入到溶液內(nèi)部，毛細(xì)管內(nèi)會(huì)有一段水柱，產(chǎn)生壓力Pˊ，則測(cè)定管中的壓力Pr會(huì)變小，△pmax會(huì)變大，測(cè)量結(jié)果偏大。 2.最大氣泡法測(cè)定表面張力時(shí)為什么要讀取最大壓力差？如果氣泡逸出的很快，活幾個(gè)氣泡一齊出，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有無影響？ 答：如果毛細(xì)管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時(shí)，表面幾乎是平的，這時(shí)曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時(shí)曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等，曲率半徑達(dá)最小值，根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式，此時(shí)能承受的壓力差為最大：△pmax = p0 - pr = 2σ/γ。氣泡進(jìn)一步長(zhǎng)大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。最大壓力差可通過數(shù)字式微壓差測(cè)量?jī)x得到。如氣泡逸出速度速度太快，氣泡的形成與逸出速度快而不穩(wěn)定；致使壓力計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定，不易觀察出其最高點(diǎn)而起到較大的誤差。