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1、中国石油大学最大压差法测表面张力 实验报告实验日期： 成绩：班级：学号：姓名教师：王增宝同组者：实验三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。要扩大表面，就要把内部分子移到表面上来，这就要克服净吸 引力作功，所作的功转化为表面分子的位能，所以表面分子总比内部分子多具一 定的能量。这多具有的能量叫表面能。单位表面具有的表面能就叫表面张力。在一定温度、压力下纯液体的表面张力
2、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：r二丄竺a。RT dc式中r吸附量（mol/L）c 吸附质在溶液内部的浓度（mol/L）b 表面张力（N/m）R 通用气体常数（N m） / （K mol）T 绝对温度（ K）若do/dcVO,溶质为正吸附
3、；若do/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ac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对应的da/dc,将此值代人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。测定装置如图1 所示。图2-1表面张力测定装置图1：测定装置图测定时，仪器内压力增加，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泡时，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。此 时附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反
4、比，其关系式如下：AP=2（22）R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，这时曲率半径与毛细管半径r相等，曲率 半径达最小值，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。分别测出一种已知表面张力的液体（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B=r，所以，AP1 = 2（23）1r2bAP2= 2（24）2r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：n =2 a（2一5）2 Ap
5、1因此，在同一温度下，只要测得P P，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（25）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，洗耳球。 2药品正丁醇（分析纯），蒸馏水。四、实验步骤1.用洗液洗表面张力测定仪的外套和毛细管。方法是在外套管中放入少量洗 液，倾斜转动外套管，使洗液管接触（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。2. 在外套管
6、中放入蒸馏水，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。3. 关闭液滴漏斗下活塞，在漏斗中加入自来水。4. 打开精密数字压力计，打开上活塞，放空内压，并清零。5. 关闭漏斗上活塞，打开下活塞，使毛细管中有气泡匀速冒出。6. 测完蒸馏水的最大压差后，倒掉蒸馏水，用 0.02mon/L 的正丁烷洗一次外 套管然后再加入该溶液，像测蒸馏水的最大压差一样，测定该溶液的最大压差。 依次测的 0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mon/L 的正丁烷溶液的最 大压差。7. 记录实验温度。五、数据结果处理表1 最大压差测量表面张力数据处理表浓度(mol/l) 压
7、力(KPa)H2O0.020.050.100.150.200.250.300.35P11.2161.1471.0580.9520.8570. 8070.7600.7110.685P21.2141.4151.0570.9580.8490.8040.7440.7030.688P31.2121.1431.0580.9540.8600.8080.7550.7090.679P1.2141.1451.05770.9550.8550.8060.7730.7080.684a73.3469.1763.9057.6951.6548.6945.4942.7741.32以第二组数据浓度为00 2mol/L的正丁醇为例
8、进行数据处理： 由附录二查出16C下蒸馏水的表面张力O 1=73.34mN/m 水的平均最大压差：P1=(P1+P2+P3)/3=(1216+1214+1212)/3=1214MPa浓度为0.02mol/L的正丁醇的平均最大压差： P2=(P1+P2+P3)/3=(1147+1145+1143)/3=1145MPa故可以求的浓度为0.02mol/L的正丁醇的表面张力：O 2二P2/AP1 *o 1=1.145/1.214*73.34=69.17mN/m 同理可以得到其他浓度下正丁醇的表面张力正丁醇溶液的O -c图如下：图1正丁醇溶液的O -C曲线正丁醇溶液的6C曲线图0.1浓度 C(mol/I
9、)OOOOOOOOO 87654321ENE) 證侶粮0.4由正丁醇的曲线图可以得到相应的计算机拟合线图如下：图2 拟合线获取图正丁醇溶液的6C曲线图y= 69.837Q-L3f0.10.4得到的拟合线为o =69.837e人-1.653c 故而得到do /dc=-1.653*69.837e 八-1.653c由公式二-c/RT*do /dc可以得到以下数据表:表 2 表面吸附量数据表c(mol/l)00.020.050.10.150.20.250.30.35r (mol/l)00.0009290.0022110.004070.0056210.00690.0079410.0087740.0094
10、24数据处理：取第2 组数据为例进行处理：C=0.02mol/LT=289.15KR=8.314 NXm/ (KXmol)do /dc=111.6865mN.l/mol.m 代入式=-c/RT*do /dc 中得：=0.000929mol/L图 3 正丁醇的吸附等温线图WOE)*罢密B聚六、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：由压力公式P=pgh可以算得,1mm水产生的压力约为9.8Pa，测得的压力差会比实验值大 9.8Pa。2实验中，为什么要尽量放慢鼓泡速度？ 答：放慢鼓泡速度可以使数字压力计有更充裕的时间测量气泡气压，使得测量数 据更准确，同时数字压力计的示数变
11、化较缓慢也便于测试者读取压差最大数值。 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：如果从浓到稀测定，前一毛细管上残留的较高浓度的正丁醇会对低浓度的正 丁醇的测定造成较大影响，从而影响实验结果。4解释ac曲线的趋势。答：随浓度的增加表面张力逐渐减小，并且切线斜率随着浓度的增大而逐渐减小， 切线方向最终逐渐趋于水平，曲线无限趋近于某一值。5实验中，影响表面张力测定准确性的因素有哪些？ 答：实验环境的温度变化，仪器的气密性影响气压的测量；读数引起误差； 所用药品本身浓度的不精确，带来的对表面张力测定准确性的影响溶液浓度是否 准确，做多组实验使用不同浓度的溶液之间的互相影响等等。七：实验总结
