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最大气泡法测定溶液的表面张力

最大气泡法测定溶液的表面张力. 目的要求. 1. 测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力 , 计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。 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. 掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术。. 基本原理. 1. 表面自由能. 物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面层分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成都恒定时，可逆地使表面增加 ΔS 所需对体系做的功，叫表面功，可表示为：. -A=ΔG= σΔ S.

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最大气泡法测定溶液的表面张力

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Presentation Transcript

  1. 最大气泡法测定溶液的表面张力

  2. 目的要求 • 1. 测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力,计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。 • 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. 掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术。

  3. 基本原理 1. 表面自由能 物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面层分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成都恒定时，可逆地使表面增加ΔS所需对体系做的功，叫表面功，可表示为： -A=ΔG=σΔS σ称为表面自由能，单位为J/m2。若把σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。

  4. 2. 溶液的表面吸附 根据能量最低原则,溶质能降低溶剂的表面张力时,表面层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,表面层中的浓度比内部的低。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。 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有关,从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯吸附方程:

  5. Γ为表面吸附量(单位:mol·m-2 );T为热力学温度(单位:K);C为稀溶液浓度(单位:mol·dm-3 );R为气体常数。 称为正吸附; 称为负吸附;

  6. 乙醇是表面活性物质,能降低溶剂的表面张力,它们在水溶液表面的排列情况随浓度不同而异:当浓度小时,分子可以平躺在表面上;浓度增大时,分子的极性基团取向溶剂内部,而非极性基团基本上取向空间;当浓度增大到一定程度时,溶质分子占据了所有表面,就形成饱和吸附层。 以表面张力对浓度作图,可得到σ-C曲线,从图中可以看出,在开始时σ随浓度的增加而迅速下降,以后的变化比较缓慢。 在σ-C曲线上任选一点i作切线,即可得该点所对应浓度Ci的斜率， 再由上式可求得不同浓度下的Γ值。

  7. 3. 饱和吸附与溶质分子的横截面积 在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温式表示： 式中:Γ∞是饱和吸附量，K是常数，将上式取倒数可得: 作(C/Γ)-C图,直线斜率的倒数即为Γ∞。 如果以N代表1m2表面上溶质的分子数,则有:N=Γ∞ L

  8. 可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积: σ= 1/(ΓΓ∞ ) 因此,若 测得不同浓度下溶液的表面张力,从σ-C曲线上求出不同浓度的吸附量Γ,再从(C/Γ)-C直线上求出Γ∞ ,便可以计算出溶质分子的横截面积σB。

  9. 4. 最大气泡法

  10. 将被测液体装于测定管中,使玻璃管下端毛细管面与液面相切,液面沿毛细管上升,打开抽气瓶的活塞缓缓放水抽气,测定管中的压力P逐渐减小,毛细管压力P0 就会将管中液面压至管口,形成气泡,其曲率半径由大而小,直至恰好等于毛细管半径时,根据拉普拉斯公式,这时能承受的压力差也最大: △Pmax =△Pr =P0 -Pr =2σ/r

  11. 最大压力差可用U型压力计中最大液柱差△h来表示:△Pmax =ρg 则σ=(r/2)ρg△h=K'△h K'为仪器常数,可以用已知表面张力的物质测定。

  12. 仪器与试剂 • 恒温装置 一套 • 烧杯（25 ml） 一个 • 带有支管的试管（附木塞） 1支 • 毛细管（半径为0.15mm~0.20mm)1根 • 容量瓶（50ml)8支 • 数字式微压差测量仪 1台

  13. 毛细管 滴液漏斗 支管试管 低真空测压仪

  14. 实验步骤 • 1.安装仪器：洗净仪器并按图装置。对需干燥的仪器作干燥处理。 • 2.配置乙醇溶液： 分别配制0．02mol/L，0.05mol／L，0．10mol／L，0．15mol／L，0.20mol／L，0．25mol／L，0．30mol/L，0．35mol/L乙醇溶液各50mL。 • 3. 调节恒温为25℃。

  15. 4.仪器常数测定 先以蒸馏水作为待测液测定其仪器常数。方法是将干燥的毛细管垂直地插到使毛细管的端点刚好与水面相切，打开滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡，速度约为5s～10s1个。在毛细管口气泡读出U型管两边液面最大高度差 可读三次，取其平均值。通过手册 查出实验温度时水的表面张力，利用公式 求出仪器常数K。

  16. 5.待测样品表面张力的测定：用待测溶液洗净试管和毛细管，加入适量样品于试管中，按照仪器常数测定的方法，测定不同待测样品的 计算其表面张力。 • 6.乙醇溶液的折光率测定：用每个样品测出 后，随即用滴管吸取该溶液滴，置于棱镜上，用阿贝折光仪测其折光率nD查工作曲线得各样品的准确浓度。

  17. 数据处理 • 1.由附录表中查出实验温度时水的表面张力，算出毛细管常数K。 • 2.由实验结果计算各份溶液的表面张力,并作~c曲线。 • 3.在~c曲线上分别在0．050mol/L，0．100mol／L，0．150mol／L，0．200mol／L，0．250mol／L和0．300mol／L处作切线，分别求出各浓度的 值，并计算在各相应浓度下的Γ。 • 4. 用c/ Γ对c作图，应得一条直线，由直线斜率求出Γ ∞。

  18. 实验注意事项 • 1.测定用的毛细管一定要洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地流过，而使压差计读数I不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。 • 2.毛细管一定要保持垂直，管口刚好插到与液面接触。 • 3.杂质对的影响很大，配制溶液应使蒸馏水。 • 4.应读出气泡单个逸出时的最大压力差。 • 5.与温度密切相关，应使表面张力仪浸入恒温槽的水中。

  19. 讨论 • 1.若毛细管深入液面下Hcm，则生成的气泡受到大气压和的静液压。如能准确测知H值，则根据 来测定值。但若使毛细管口与液面相切，则H＝0，消除了项，但每次测定时总不可能都使H＝0，故单管式表面张力仪总会引入一定的误差。 • 2.测定表面张力的方法很多，如毛细管升高法、滴重（体积）法及圈环法等。

  20. 思考题 1.用最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差? • 2.如果毛细管末端插入溶液中进行测量行吗？为什么？ • 3.本实验中为什么要读取最大压力差？

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