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溶液表面张力的测定—最大气泡法 实验报告 材33 2013012030 张鹏翔 实验日期：2015.03.19 同组姓名：汪伟男 实验目的 1．用最大气泡法测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力。 2．利用吉布斯公式计算不同浓度下正丁醇溶液的吸附量，进而求出正丁醇分子截面积和饱和吸附分子层厚度。 3. 掌握用计算机处理数据的方法。 实验原理 在液体内部，任何分子受周围分子的吸引力是平衡的，可是表面层的分子受内层分子的吸引与受表层外介质的吸引并不相同，所以，表面层的分子处于力不平衡状态，表面层的分子比液体内部分子具有较大势能，如欲使液体产生新的表面就需要对其作功。在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表而积增加所需作的功为 (1) 比例系数表示在等温等压下形成单位表面所需的可逆功，其数值等于作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表面张力。 在纯物质情况下．表面层的组成与内部的相同，但溶液的情况却不然，加入溶质后溶剂的表面张力发生变化。根据能量最低原则，当溶质降低该剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶胶内部的大，反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度的大。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。显然，在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的浓度及溶液的表面张力随浓度的变化率有关，从热力学可知，它们之间的关系遵守吉布斯吸附公式： （2） 式中；——吸附量，； ——表面张力，； c——溶质的浓度，； T——热力学温度，K； R——摩尔气体常数．8.314。 当时，称为正吸附；当时，称为负吸附。 溶于溶液中能使其表面张力降低的物质称为表面活性物质，工业和日常生活中广泛应用的去污剂、乳化剂、润滑剂以及起泡剂等都是表面活性物质。它们的主要作用发生在界面上，所以研究这些物质的表面效应是有实际意义的。 如果作曲线，开始时随c的增加而下降较快，以后的变化比较缓慢。根据曲线，可以用作图法求出不同浓度的值(见图1)。 图1：表面张力与浓度的关系 在曲线上任取一点a，过a点作曲线的切线以及平行于横坐标轴的直线分别交纵坐标轴于b、b’，令bb’＝Z，则，代入(2)式，。从曲线上取不同的点，就可以得出不同的Z值，从而可以求出不同浓度下的吸附量。在计算机辅助实验的条件下，可以直接在拟合的曲线上计算切线斜率。 吸附量与浓度之间的关系可以用朗格缪尔等温吸附方程表示。在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间有如下关系： (3) 式中为饱和吸附量，k为常数。上式可以改写为如下的形式： （4） 若以c／对c作图，应为一直线，其斜率的倒数即为。 由于单位面积上的分子数为 (L为阿佛加德罗常数)，所以每个分子在表面上所占的面积，即分子的截面积为： (5) 我们还可以从下式求出表面活性物质饱和吸附分子层厚度： (6) M为溶质的摩尔质量，为溶质密度。 本实验采用最大气泡法测定液体表面张力，原理如图2所示。 图2：测定表面张力装置 1 毛细管 2 压力计 3 抽气瓶 4 大试管 将待测液体装入大试管4中，使毛细管1的端面与液面相切．液面即沿毛细管上升。打开抽气瓶3的活塞抽气。毛细管内液面上受到比大试管4较大的压力，当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口被压出。这个最大的压力差值可由U型压力计2读出： 式中为U型压力计两边读数之差，g为重力加速度，为压力计内液体的密度。在实际实验中，U型压力计被电子压力计所替代，准确度更高。 另一方面，当气泡在毛细管口逐渐长大时，其曲率半径逐渐变小。气泡达到最大时便会破裂，此时曲率半径最小，等于毛细管半径R。这时气泡能够承受的压力差最大，为2／R，它应等于： 即 (7) 若用同一支毛细管和压力计，对两种具有不同表面张力和的液体进行测量．下列关系式成立： 故有 (8) 式中的K值对同一支毛细管及同一种压力计介质是常数，称作仪器常数。由已知表面张力的液体作标准求出常数K，使可用上式求其它液体的表面张力。 仪器与药品 计算机及接口；微压计（差压）（清华大学化学实验中心）；表面张力仪（自制）一套；水浴温度计；恒温槽；900 mL、500 mL烧杯各一个；100 mL容量瓶7个；50 mL、25 mL、20 mL、10 mL移液管各一支；吸耳球；洗瓶。(滴管） 0.4 mol/L、0.5 mol/L正丁醇水溶液。 实验条件 室温： 13℃ 大气压: 101