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最大泡压法测定溶液的表面张力

最大泡压法测定溶液的表面张力?

一、实验目的

1.测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量。

2.了解气液界面的吸附作用，计算表面层被吸附分子的截面积及吸附层的厚度。

3.掌握最大气泡法(或扭力天平)测定溶液表面张力的原理和技术。

二、预习要求

1.掌握最大气泡法(或扭力天平)测定表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。

2.了解如何由表面张力的实验数据求分子的截面积。

3.掌握如何由实验数据计算吸附量。

三、实验原理

从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程，欲使液体产生新的表面ΔA，就需对其做功，其大小应与ΔA成正比:

(1)

如果ΔA为1m2，则-W′=σ是在恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，所以σ称为比表面吉布斯自由能，其单位为J·m-2。也可将σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表面张力，其单位是N·m-1。在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；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低，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程:

(2)

?

最大气泡法的仪器装置如右图所示:

A为表面张力仪，其中间玻璃管F下端一段直径为0.2mm～0.5mm的毛细管，B为充满水的抽气瓶，C为U型压力计，内盛比重较小的水或酒精、甲苯等，作为工作介质，以测定微压差。

将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使F管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内液面上受到一个比A瓶中液面上大的压力，当此压力差—附加压力(Δp=p大气-p系统)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，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为:

(7)

式中，Δp为附加压力；σ为表面张力；R为气泡的曲率半径。

如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大;随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，根据上式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。

根据上式，R=r时的最大附加压力为:

(8)

实际测量时，使毛细管端刚与液面接触，则可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力，这样就可直接用上式进行计算。

当用密度为ρ的液体作压力计介质时，测得与Δp最大相适应的最大压力差为Δh最大则:

(9)

当将合并为常数K时，则上式变为:

(10)

式中的仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得。

二、仪器药品

?1.仪器

最大泡压法表面张力仪1套;吸耳球1个；移液管(50mL和1mL)各1只;烧杯(500mL)只。

2.药品

正丁醇(化学纯);蒸馏水。

三、实验步骤

?1.仪器准备与检漏

将表面张力仪容器和毛细管先用洗液洗净，再顺次用自来水和蒸馏水漂洗，烘干后按图Ⅲ-23-3按好。

将水注入抽气管中。在A管中用移液管注入50mL蒸馏水，用吸耳球由G处抽气，调节液面，使之恰好与细口管尖端相切。然后关紧G处活塞，再打开活塞H，这时管B中水流出，使体系内的压力降低，当压力计中液面指示出若干厘米的压差时，关闭H，停止抽气。若2min～3min内，压力计液面高度差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。

2.仪器常数的测量

开H对体系抽气，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间为10s～20s(数显微压差测量仪为5s～10s)。若形成时间太短，则吸附平衡就来不及在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液面差达到最大值，记录压力计两边最高和最低读数，连续读取三次，取其平均值。、再由手册中，查出实验温度时，水的表面张力σ，则仪器常数

3.表面张力随溶液浓度