实验二十一 溶液表面张力的测定——最大气泡压力法

实验二十一溶液表面张力的测定—最大气泡压力法 一、实验目的
1.用最大气泡法测定不同浓度乙醇溶液的表面张力。

2.了解表面张力的性质、表面自由能的意义, 以及表面张力和吸附的关系。

3.学会镜面法作切线的方法。

三、实验原理
L 用本法测定[乙醇, 水]溶液的数据对[ ,c], 作图将C 一 曲线在不同浓度的斜率 代入
吉布斯等温吸附式:
T c RT c )(∂∂-
=Γσ
求出相应的吉布斯吸附量c Γ 按Lanbmuir 等温吸附变形公式:
∞∞Γ+Γ=Γc c α1
以 直线斜率 求出饱和吸附量 , 进而得出乙醇分子横截面积
S 和分子长度 , 结合直线截距得出吸附系数 :
1)(-∞=Γβtg
..以上各式中, c 为浓度;T 为绝对温度(K); 为表面张力(N/... 为吉布斯吸附量(mol/m... M 为溶质摩尔质量; 为溶质密度(kg/m... S 为分子截面积(m(/分子); 为分子长(m); 为吸附(平衡)常数;NA 为阿氏常数(6.00..1023Mol-1);R 为气体常数(8.314J/mol ·K)。

为了求以上参数, 关键是测 。

2.表面张力即界面张力, 矢量。

源于凝聚相界面分子受力不平衡, 意为相界面的单位长度收缩力。

也是在各对应条件下凝聚系表面相
的热力学强度性质, 如恒温、恒压下扩大单位表面积所需的可逆功, 故亦称比表面自由烩, SI单位[J/m2 }。

与凝聚相和表面共存接触相种类有关(如无说明, 通常指定被凝聚相饱和了的空气为共存接触相), 还与T, p有关, 与凝聚相纯度和杂质种类有关。

浓度升高, 溶液的有增有减, 随溶质、溶剂而异, 表面活性剂分子是两亲分子, 它们的水溶液随浓度升高先剧降, 后微升, 再渐趋恒定。

随c而变的本质是溶液表面相浓度对体相浓
度的偏离, 此现象称为表面吸附。

表面吸附量r与浓度有关, 用吉布斯等温吸附式(1)求出, 为一c曲线在指定浓度的斜率。

<0, >0为正吸附, 表面浓度较体浓度为高, 达饱和吸附时, 趋于饱和吸附量, 此时两亲分子在溶液表面处于高度有序的竖立密集, 形成单分子膜。

若将兰格缪尔等温吸附式中的吸附量赋予吉布斯吸附量的特定意义, 则可从其变形式求出, 设分子吸附层厚, 即两亲分子长。

依, 由此得出求分子的式子(2)。

3. 的测定方法有最大气泡法、环法、滴重法、毛细管上升法等, 其中最大气泡法设备简单, 易操作, 应用广。

此法是将下口齐平的毛细管垂直插人试液, 并使管口刚与液面相切, 则可看到在毛细管内形成凹液面。

凹液面受力一是大气压P0, 一是附加压力, r是凹液面半径, r<0, 故< 0, 表示指向背液面, 即低于平液面所受外压, 因此凹液面受到的总压是。

现对管外减压, 随管外压力减小(负压, 取负;g重力加速度,
压力计内液柱密度), 增大, 减小, P1随P2同步减小, 故P2 = P1,
得:
2/h rg ∆=ρσ
由于减压, 凹液面不断下降, r 为不定值, 但当凹液面上形成的小气泡降至毛细管下口, 并随气流离开的瞬间, 降至极小, 刚等于毛细管下口内径, 此时 升至最大。

若再微微减压, 气泡逸出, 剧降, r 为定值, 所以只要测出最大的 , 即可用上式求出。

(式中的r 、 皆可取正)。

由于r 一定, 故 为定值, 称仪
器常数K, 可用纯水的 和同条件下实测的 求出。

故:
00/h h h K ∆∆⋅=∆⋅=σσ
溶液浓度c 用折射仪测出。

四、仪器药品
仪器:蓄水瓶, 毛细管, 试管, 烧杯, U 型水柱压力计, 温度计, 分液漏斗, 表面张力仪1套。

药品:乙醇溶液:5%, 10%, 20%, 30% , 40%, 50% 。

五、实验步骤
1.按图28安装好实验仪器, 检查仪器是否漏气, 检查方法如下:由分液漏斗往蓄水瓶中加水, 使压力计产生一定的压力差, 停止加水如压力差维持3一5分钟不变, 可认为不漏气。

2.仔细用热的铬酸洗液洗涤毛细管, 这是本实验关键。

3.毛细管常数的测定
在清洁的试管中加人约1/4体积的蒸馏水, 装上清洁的毛细管, 使端面恰好与液面相接, 打开分液漏斗, 使水缓缓滴出, 以增加毛细管内压力, 使气泡冒出, 观察气泡冒出的速度与压力的关系, 调节气泡逸出速度不超过每分钟20个时, 如此三次, 若每次得h, 差别在2mm以内, 取平均值, 求k。

否则重复步骤2, 然后再测。

4.乙醇溶液表面张力的测定
将试管中的水倒出, 用待测溶液洗试管和沾洗毛细管(尖端沾取待测液, 然后用洗耳球吹掉内溶液)3次, 在试管中装人待测溶液, 用上述方法快速测定浓度为5%,10% , 20%, 30% , 40% , 50%的乙醇溶液压力差△h, 都测3次取其平均值。

六、数据处理和结果
1.将实验所记录的数据用表格列出
2.利用水的表面张力求毛细管常数k 。

根据上表中的数据 =7.47cm, 查表可知: 水=73.078×10-3N/m, k=σ水/h ∆=73.078×10-3/0.0747=0.978N/m 2
3.计算各浓度乙醇溶液的表面张力, 计算时, 注意各量的单位。

5%的乙醇溶液: =k × =0.978×0.0615=0.0601N/m 同理, 10%的乙醇溶液 =0.0523N/m （其余 值见表中）
4.作σ一c 图利用镜面象法得出不同浓度的斜率T
c )(
∂∂σ并计算出各
浓度下的P 值。

根据图像中所给出的二次方程: y=0.0004x2 －0.0081x+0.0659；
对二次方程求导得, y=0.0008x－0.0081；
将不同体积分数的浓度c带入上式即可得的值:
5%的乙醇溶液: =-7.41×10-3; 10%的乙醇溶液: =-6.72×10-3；
20%的乙醇溶液: =-5.35×10-3；30%的乙醇溶液: =-3.97×10-3；40%的乙醇溶液: =-2.60×10-3；50%的乙醇溶液: =-1.22×10-3；
5.计算各浓度的Γ和Γ/c。

根据, 代入数据, 得
5%的乙醇溶液Γ=(－0.8601)×(－7.41×10-3)/8.314×290.15=2.642×10-6mol/m2 Γ/c=0.8601/2.642×10-6=3.255×105N·m/m2
同理可得其他各体积分数的Γ值见表中。

6.作图, 求。

由图象可知线性拟合的斜率: =1.8512×105;
根据公式: =1/1.8512×105=5.402×10-6.
七、思考题
1.为什么液体的表面张力随温度升高而减少呢?
表面水分子受到向下的吸引力而产生表面张力。

当温度升高时, 分子间距离增大, 作用力减小, 因此表面张力就减小了
2.仪器的清洁与否对所测数据有无影响?
在开始测量前一定要将仪器清洗干净, 由于毛细管极细, 若存在杂质会影响气泡溢出的速率；并用所要使用浓度的溶液润洗。

由于测量时是由稀到浓, 所以更换不同浓度的溶液时对所测数据无影响。