最大气泡压力法测定溶液的表面张力实验报告

物理化学实验报告

专业班级 化本092 姓名 周培 实验日期 2011年6月2日 同组姓名 徐浩 郑志浩 指导老师 刘旭峰 王婷婷 实验名称 实验七、最大气泡压力法测定溶液的表面张力

一、实验目的

1、掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术。

2、通过对不同浓度乙醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能、表面张力和吸附量关系的理解。

二、实验原理

1、对纯溶剂而言，其表面层与内部的组成是相同的，但对溶液来说却不然。当加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化。根据能量最低原则，若溶质能降低溶剂的表面张力，则表面层中溶质的浓度应比溶液内部的浓度大，如果所加溶质能使溶剂的表面张力升高，那么溶质在表面层中的浓度应比溶液内部的浓度低。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。在一定的温度和压力下，溶液表面吸附溶质的量与溶液的表面张力和加入的溶质量（即溶液的浓度）有关，它们之间的关系可用吉布斯(Gibbs)公式表示： Γ＝－

c()T （2） RTc－

－

式中：Γ为吸附量(mol.m1)；σ为表面张力(J·m—’)；T为绝对温度(K)；c为溶液浓度(mol．L1”)；

根据朗格谬尔公式得：

Γ＝－Γ∞K/1+Kc

式中Γ∞为饱和吸附量，即表面被吸附分子的截面积布满一层分子时的Γ。 以C/Γ对C作图，得一直线，该直线的斜率为Γ∞

2、图2是最大气泡压力法测定表面张力的装置示意图。将欲测表面张力的液体装于支管试管5中，使毛细管6的端面与液面相切，液面即沿着毛细管上升，打开滴液漏斗2的活塞进行缓慢抽气，此时由于毛细管内液面上所受的压力（p大气）大于支管试管中液面上的压力 （p系统），故毛细管内的液面逐渐下降，并从毛细管管端缓慢地逸出气泡。在气泡形成过程中，由于表面张力的作用，凹液面产生了一个指向液面外的附加压力Δp，因此有下述关系：

p大气＝p系统＋Δp

Δp＝p大气－p系统 (3)

附加压力Δp和溶液的表面张力σ成正比，与气泡的曲率半径R成反比，其关系式为

Δp＝2σ/R (4)

若毛细管管径较小，则形成的气泡可视为是球形的。气泡刚形成时，由于表面几乎是平的，所以曲率半径只极大；当气泡形成半球形时，曲率半径只等于毛细管管径r，此时R值为最小；随着气泡的进一步增大，只又趋增大(见图3所示)，直至逸出液面。 根据(31—4)式可知，当R＝r时，附加

1

压力最大，为

Δp＝2σ/r (5)

这最大附加压力可由数字式微压差测量仪上读出。 当将其它参数合并为常数K时，则上式变为：

γ=K△p最大 仪器常数K可有已知表面张力的标准物质测得。 三、实验仪器、试剂

仪器：最大泡压法表面张力仪1套，洗耳球1个，移液管（50ml和1ml）各一只，烧杯（500ml）

1只

试剂：正丁醇（分析纯）、蒸馏水 四、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，烘干后接好。检查是否漏气。 2、仪器常数的测量

调节液面与毛细管端相切，并调节分液漏斗，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且速度控制在每分钟形成气泡5~10个。当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液位差达到最大值，此时记录下△p

最大

值。改变气泡逸出速率，再依次记录2次，取其平均值。再由手册中查出实验

温度时水的表面张力，求仪器常数K。 3、表面张力随溶液浓度变化的测定

在上述体系中，按浓度从低到高的顺序依次测定预先配好的正丁醇溶液的△p换溶液前都先用新溶液润洗2次，再按2方法测定。

五、数据记录与处理

室温： 28.3 ℃ 大气压： 100.35 Kpa 恒温槽温度： 30℃ γ= 71.18 mN/m c/(mol. dm-3) △P最大 △P最大.1 △P最大.2 △P最大.3 γ/ mN/m*103 以γ对c作图

2

最大

值，每次置

水 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.16 0.2 0.24 780.3 780 781 780 71.18 749.3 750 749 749 66.61 704 704 704 704 61.90 666.3 666 667 666 58.71 626.3 627 626 626 55.30 607 607 607 607 53.52 584.3 584 583 583 52.00 548 548 548 548 47.43 519.7 519 520 520 44.60 494.3 494 495 494 43.26

1、 计算仪器常数K

由γ水=K△p最大得

K=γ水/△p最大=71.18/654.3=0.109 mm 2、求Γ

由图可知γ与c的公式为γ= 0.0705-0.2138c +0.4221c2 对c求导得dγ/dc= -0.2138+0.8442c 则 c/(mol. dm-3) dγ/dc -0.1969 -0.1800 -0.1631 -0.1463 -0.1294 -0.1125 -0.07873 -0.04496 -0.01119 2.873 1.39 3.905 1.54 4.670 1.71 5.163 1.94 5.387 2.23 5.026 3.18 3.588 5.57 1.072 22.39 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.16 0.2 0.24 Γ*106 1.571 c/Γ1.27 *10-4

得到Γ—c、c/Γ—c等温线如下：

3

6 B Data1B54G*10-63210.000.050.100.150.200.25c/mol/L

Γ—c等温图

c/Γ*10-4—c等温图 3、求出Γ∞并计算Am

由图得斜率K=1/Γ∞=21.53*104，所以Γ∞=4.64*10-5mol*m-2 又Am=1/Γ∞L可以得到：Am=3.58*10-19m2 查找文献得到Am在2.4×10-19～3.2×10-19m2之间

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六、结果讨论

1、毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切？否则对实验有何影响？

答：如果毛细管末端插入到内部溶液，毛细管会有一段水柱，产生额外的压力，则测定管中的压

力会变小，最大压力差变大，致使测量结果偏大。

2、最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差？如果气泡逸出很快，或几个气泡一齐逸出，对实验结果又无影响？

答：若抽气太快，气泡的形成与逸出速度快而不稳定，使U型压力计中的酒精所处的位置相对不稳定

来回速度跳动，致使读数不稳定，不易观察出其最高点而引起较大误差。如果气泡逸出很快，或几个气泡一齐逸出，会使得读出的数据偏大。

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