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1、实验二 最大压差法测表面张力一、实验目的 1.掌握最大压差法测定表面张力的原理及方法； 2.测定正丁醇水溶液的表面张力，了解表面张力的概念及影响因素； 3.学习 Gibbs 公式及其应用。二、实验原理 由于净吸引力的作用，处于液体表面的分子倾向于到液体内部来，因此液体表面倾 向于收缩。要扩大面积，就要把内部分子移到表面来，这就要克服净吸引力作功，所作 的功转变为表面分子的位能。单位表面具有的表面能叫表面张力。 在一定温度、压力下纯液体的表面张力是定值。但在纯液体中加入溶质，表面张力 就会发生变化。若溶质使液体的表面张力升高，则溶质在溶液相表面层的浓度小于在溶 液相内部的浓度；若溶质使液体的表面
2、张力降低，则溶质在溶液相表面层的浓度大于在 溶液相内部的浓度。这种溶质在溶液相表面的浓度和相内部的浓度不同的现象叫吸附。 在一定的温度、压力下，溶质的表面吸附量与溶液的浓度、溶液的表面张力之间的 关系，可用吉布斯（Gibbs）吸附等温式表示： (2-1) 式中 吸附量（mol/L）； c吸附质在溶液内部的浓度(mol/L)； 表面张力（N/m）； R通用气体常数（N.m/K.mol）； T绝对温度（K）。 若 d /dc0,溶质为正吸附；若 d /dc0，溶质为负吸附。通过实验若能测出表 面张力与溶质浓度的关系，则可作出 c 曲线，并在此曲线上任取若干个点作曲线的 切线，这些曲线的斜率即为浓度
3、对应的 d /dc，将此值代入 21 式可求出在此浓度时 的溶质吸附量。 测定液体表面张力的方法有许多种。本实验采用最大压差法。 测定时，将分液漏的活塞打开，使瓶内压力增加，气泡即可通过毛细管（要求它的尖嘴刚刚与液面接触）。从浸入液面的毛细管端鼓出空气炮时，需要高出外部大气压的 附加压力，以克服气泡表面张力。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的（图 2-2）。此时附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式如下： (2-2) 式中 P广口瓶内滴水形成的附加压力； R气泡的曲率半径； 表面张力（N/m）。 当气泡开始形成时 ，表面几乎是平的，这是曲率半径最大，随着气泡的形
4、成，曲 率半径逐渐变小，直到形成半球形，这是曲率半径与毛细管半径 r 相等，曲率半径达最 小值，根据 2-2 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，直到气泡溢出。 如果分别测出一种已知表面张力的液体（例如水）和另一未知表面 张力液体（如正丁醇水溶液）的附加压力最大值，这时因为 R=r，所以, (2-3) 式中： p1 已知表面张力液体的最大附加压力； 1 已知液体的表面张力。 (2-4) 式中： p2 未知表面张力液体的最大附加压力； 2 未知液体的表面张力。 因为两种液体的最大附加压力（即最大压差）是在同一仪器的同一毛细管测的。所以，上两式的 r 是相同的，若
5、将 r 消去即得： (2-5)因此，在同一温度下，只要测得P1、P2，再由温度查出已知表面张力液体（水）的表面张力；即可由公式（2-5）求出未知液体的表面张力。三、仪器与药品1.仪器：最大压差法测表面张力装置一套，洗瓶，吸耳球。2.药品：正丁醇（分析纯），蒸馏水。四、步骤1.用洗液洗表面张力测定仪的外套管和毛细管。方法是在外套管中放入少量洗液, 倾斜转动外套管,使洗液与外套管接触( 注意不要让洗液从侧管流出 ).再将毛细管插入, 这时保持外套管倾斜不动,转动毛细管,使洗液与毛细管接触,再用洗耳球吸洗液至毛细 管内,洗毛细管内壁.用完的洗液倒回原来瓶中,然后用自来水充分冲洗外套管和毛细管, 最后
6、用蒸馏水冲洗外套管和毛细管各三次,即可进行下面实验。2.在外套管中放入蒸馏水(作为已知表面张力的液体,其表面张力见附录二),将毛 细管插入外套管,塞紧塞子,并使毛细管尖端刚碰到液面。如果外套管中液体稍过量，则可用吸耳球将液体吸至毛细管中，将液体移出，通过调节，使毛细管尖端刚碰到液面。3.关闭漏液漏斗下活塞，在漏液漏斗中加入自来水，按图 21 所示将表面张力测定装置管线流程接上。4.打开精密数字压力计电源，然后打开漏斗上活塞，将管线压力放空，按数字压力计采零键，使精密数字压力计的示数置零。5.关闭漏斗上活塞，缓缓打开滴液漏斗下活塞，使漏斗中的水慢慢滴下，这时毛细管处有气泡均匀冒出。从精密数字压力
7、计读出最大压差值，重复读取最大压差值三次，将数据记录在实验记录纸上，取平均值。6.测完蒸馏水的最大压差后，倒掉蒸馏水，用0.02mon/L的正丁醇溶液洗外套管和毛细管两次，然后再加入该溶液，按测蒸馏水的最大压差的方法，测定该溶液的最大压差。 依次侧得 0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mom/L 的正丁醇溶液的最大压差值。（注意：每更换一次溶液，都应用待定液洗外管套管和毛细管）。7.记录实验温度.五、结果处理1.由附录查出实验温度下蒸馏水的表面张力。由公式计算出不同浓度正丁醇溶液的表面张力，用表格的形式列出计算结果，并取一组数据附计算实例。3.以表面张力为纵坐
8、标，以浓度为横坐标，在坐标纸上画出正丁醇溶液的-c 图。4.在-c 图上选若干点，作不同浓度曲线时切线，依 Gibbs 公式（2-1）求出相应 的表面吸附量；并在坐标纸上画出正丁醇溶液的吸附等温线。表1.原始数据C正丁醇mol/L高度HO0.020.050.100.150.200.250.300.35P10.3750.2910.2760.2740.2300.2280.2230.1990.184P20.3790.2880.2800.2770.2220.2200.2190.1940.182P30.3830.2960.2770.2700.2290.2250.2240.2000.1860.3790.2
9、910.2780.2740.2270.2240.2220.1980.18472.7556.0553.0052.5943.5743.0042.6138.0035.32选取第一组数据为例，由附录可知水在20度时的的表面张力为72.75mN/m2，根据计算出的水的最大压差的平均值，以及浓度为0.02的正丁醇的最大压差值，带入公式可求浓度为0.02的正丁醇水溶液的表面张力为0.2910.379*72.75=56.05，得出数据填入表中，并以此方法依次求出各组数据填入表中。以表面张力为纵坐标，以浓度为横坐标，画出正丁醇溶液的-c 图。图1. 正丁醇的图在-c 图上选若干点，作不同浓度曲线时切线，依 Gi
10、bbs 公式（2-1）求出相应 的表面吸附量；并画出正丁醇溶液的吸附等温线。表2. 正丁醇的表面张力吸附量表C(mol.L-3)00.020.060.100.150.260.35(mol.2)02.473.0153.8554.5575.3495.710 图2.正丁醇吸附等温线6、 思考题 1. 实验中，如果毛细管深入液面 1mm 会造成多大误差？答：会使最大附加压力增大很多。从而使表面张力增大很多。2.实验中，为什么要尽量放慢鼓泡速度？答：为了让气泡逐渐形成，使曲率半径逐渐变小最后达到与毛细管半径相等，曲率半径达最小。鼓泡过快气泡来不及形成，达不到曲率半径最小，会造成实验测量误差。3.实验中，
11、为什么要求从稀到浓逐个测定不同浓度溶液的表面张力？答：减少由于残留正丁醇对于浓度的影响而造成的实验误差，使实验更加的精确。4.解释-c 曲线的变化趋势。答：开始时，曲线变化速率很快，随浓度增加，变化速率逐渐变慢。因为，当溶液极稀时，表面活性剂分子在溶液中的分布只有一种动平衡。由于浓度极稀，表面上表面活性剂分子彼此不影响，所以可平铺于液面。因此，表面活性剂对表面张力有显著影响。由于表面活性剂分子在表面浓度增加，所以他们不能像极稀溶液情况下平铺，而是倾斜于液面，因此对表面张力的影响就减小，表现为表面张力随浓度增加而下降减小。当浓度增至某一数值，表面活性剂在溶液表面吸附达到饱和，并紧密排列，活性分子开始向溶液内部分布。开始形成胶束。在浓溶液中，表面活性剂动平衡关系不变，但胶束数量不断增加。变化趋势表现为十分平缓。5.实验中，影响表面张力测定准确性的因素有哪些？答：影响准确性的因素主要有仪器的气密性，毛细管与液面的接触距离，以及气泡是否缓慢的鼓出。推进学校内涵建设深化年各项工作和“三乐两校”主题教育活动的开展，进一步繁荣校园文化，搭建具有时代特征大学生特点的文化艺术活动平台，促进学院间师生的友谊
