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1、中国石油大学化学实验报告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
2、质使液体的表面张力降低，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：_ cdcr-RTdc式中 r 吸附量（mol/L）;c吸附质在溶液内部的浓度（mol/L）;（T 表面张力（N/m）;R 通用气体常数（N.m/K.mol）;T 绝对温度（K ）。若de /dcv0,溶质为正吸附；若d（T /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e c曲线，并在此曲线上任取 若干个点作
3、曲线的 切线，这些曲线的斜率即为浓度对应的de /dc，将此值代入2 1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，测定装置如图图2-1表面张力测定装置测定时，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：R式中 P广口瓶内滴水形成的附加压力；R 气泡的曲率半径；（T 表面张力（N/m ）。当气泡
4、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。图2 2气泡最小曲率半径示意图如果用图2-1装置，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,“2i1pl =r式中： pl 已知表面张力液体的最大附加压力；（T 1已知液体的表面张力。c 22p2 二r式中： p2 -未知表面张力液体的最大附加压力；（T 2未知液体的表面张力
5、。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，若将r消去即得：二2 二壬Ap1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。四涉骤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
6、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。读出斜管压差计下面 一根管内 的零点液位hO （此时斜管压力计两端都通大气）。按图2 1所示装 好仪器，分液漏斗中 装满自来水。3. 打开分液漏斗的活塞，使分液漏斗中的水慢慢滴入广口瓶中，这时瓶内压 力逐渐增加，气泡将通过毛细管端。从斜管压力计读出第一个气泡通过毛细管端时的最高液位h1,如此重复三次，测三个平行数
7、据，取平均值得 h2。4测完蒸馏水的最大压差后，倒掉蒸馏水，用0.02mo n/L的正丁醇洗一次外套管 和毛细管，然后再加入该溶液，象测蒸馏水的最大压差一样，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。（注意：每更换一次溶液，都应用待定液洗外管套管和毛细管）。5.记录实验温度.五结果处理1. 由附录一查出实验温度下蒸馏水的表面张力。由公式匚2二遊门计算出不同浓度正丁醇溶液的表面张力，用表格的形式列 pl出计算结果，并取一组数据附-计算实例。3. 以表面张力为纵坐标，以浓度为横坐标，在坐标纸上画出正
8、丁醇溶液的（7 -c 图。4. 在7 -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.原始数据表、C正丁醇、moL 高度h2o0.020.050.100.150.200.250.300.35pi0.3720.330.310.2850.2660.2490.2350.230.21P20.3770.340.3090.2940.2730.2530.2370.2270.204P30.3780.3330.3120.2840.2650.2540.2340.2240.208P0.3750.3340.3100.2870.
9、2680.2520.2350.2270.207S 273.3465.2760.5856.1652.3249.1945.9444.3140.47表2.298K正丁醇的表面张力吸附量表_3C(mol.L )00.020.060.110.150.260.35r (10 mol. 2)01.973.0153.8594.5675.3545.698图1.299K时正丁醇的图六思考题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
10、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，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（T -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。
