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1、1 溶液表面张力的测定溶液表面张力的测定 苏州科技学院苏州科技学院化学与生物工程学院化学与生物工程学院化学化工实验中心化学化工实验中心2一.目的要求：掌握最大泡压法测定表面张力的原理；掌握最大泡压法测定表面张力的原理；掌握最大泡压法测定表面张力的原理；掌握最大泡压法测定表面张力的原理；了解表面张力的性质、表面能的意义以了解表面张力的性质、表面能的意义以了解表面张力的性质、表面能的意义以了解表面张力的性质、表面能的意义以及表面张力和吸附的关系；及表面张力和吸附的关系；及表面张力和吸附的关系；及表面张力和吸附的关系；测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，测定不同浓度正
2、丁醇溶液的表面张力，测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量计算吸附量计算吸附量计算吸附量, ,由表面张力的实验数据求由表面张力的实验数据求由表面张力的实验数据求由表面张力的实验数据求分子的截面积。分子的截面积。分子的截面积。分子的截面积。 3二.实验原理：n从从热力学力学观点来看，液体表面点来看，液体表面缩小是一个自小是一个自发过程，程，这是是使体系使体系总自由能减小的自由能减小的过程，欲使液体程，欲使液体产生新的表面生新的表面A，就需，就需对其做功，其大小其做功，其大小应与与A成正比：成正比：WAn在在纯液体情况下，表面液体情况下，表面层的的组成与内部的成与内部的组成相同，因此成相同，
3、因此液体降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能液体降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面小其表面积。对于溶液，由于溶于溶液，由于溶质会影响表面会影响表面张力，因此可以力，因此可以调节溶溶质在表面在表面层的的浓度来降低表面自由能。度来降低表面自由能。n根据能量最低原理，溶根据能量最低原理，溶质能降低溶能降低溶剂的表面的表面张力力时，表面，表面层中溶中溶质的的浓度比溶液内部大；反之，溶度比溶液内部大；反之，溶质使溶使溶剂的表面的表面张力升高力升高时，它在表面，它在表面层中的中的浓度比在内部的度比在内部的浓度低，度低，这种表面种表面浓度与内部度与内部浓度不同的度不同的现象叫做溶液的表面吸附。象
4、叫做溶液的表面吸附。4n在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表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之间的关系遵守吉布斯面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程吸附方程：式中：为气液界面上的吸附量（单位为molm-2） T为热力学温度（K） c为溶液浓度（moldm-3） R为摩尔气体常数 v当当 0称为正吸附；当称为正吸附；当 0时，时， 0称为称为负吸附。负吸附。v前者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质叫表前者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质叫表面活性物质；后者表明加入溶质使液体表面张力升高，面活性物质；后者表明加入溶质使液体
5、表面张力升高，此类物质叫非表面活性物质。本实验测定正吸附情况。此类物质叫非表面活性物质。本实验测定正吸附情况。5表面张力与浓度的关系图 从从c曲线作不曲线作不同浓度同浓度c时的切线时的切线，把切线的斜率，把切线的斜率代入代入Gibbs吸附吸附公式，即可求出公式，即可求出不同浓度时，气不同浓度时，气液界面上的吸液界面上的吸附量附量。 6v在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir吸附等温方程式表示：吸附等温方程式表示：v为饱和吸附量，为饱和吸附量，K为经验常数，与溶质的表面活性大小为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。将上式化成直线方程，
6、则有关。将上式化成直线方程，则 v若以对若以对c作图可得一直线，其直线斜率即可求出为作图可得一直线，其直线斜率即可求出为。v在表面达到饱和吸附时，乙醇分子在气在表面达到饱和吸附时，乙醇分子在气液界面上铺满液界面上铺满一单分子层，则可应用下式求得乙醇分子的横截面积一单分子层，则可应用下式求得乙醇分子的横截面积S0。7最大泡压法的测定原理最大泡压法的测定原理8n若毛细管内空气压力比液面上压力大，则在毛细管地步能形成空若毛细管内空气压力比液面上压力大，则在毛细管地步能形成空气泡。当这两个压力之差，即附加压力大到足以克服气泡的表面气泡。当这两个压力之差，即附加压力大到足以克服气泡的表面张力时，空气泡将
7、脱离毛细管底部而逸出。附加压力与表面张力张力时，空气泡将脱离毛细管底部而逸出。附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为n因毛细管半径为定值，同一仪器的因毛细管半径为定值，同一仪器的是常数是常数k,则上则上式变为式变为式中的仪器常数式中的仪器常数k可用已知表面张力的标准物质测得（本实验用蒸馏可用已知表面张力的标准物质测得（本实验用蒸馏水）。水）。9三.仪器试剂等：n仪器仪器:n最大泡压法表面张力仪最大泡压法表面张力仪1套；套；移液管移液管(50mL，1支、支、1mL，1支支)；烧杯；烧杯(500mL，1个个)；吸耳球；吸耳球1个；个；
8、nU型压力计型压力计n试剂：试剂：n正丁醇正丁醇(A.R.)n蒸馏水蒸馏水10四.实验步骤：1.1.仪器准备与检漏仪器准备与检漏仪器准备与检漏仪器准备与检漏 ：将蒸馏水注入张力仪中，通：将蒸馏水注入张力仪中，通：将蒸馏水注入张力仪中，通：将蒸馏水注入张力仪中，通过抽气调节液面使之恰好与毛细管尖端相切。打开抽过抽气调节液面使之恰好与毛细管尖端相切。打开抽过抽气调节液面使之恰好与毛细管尖端相切。打开抽过抽气调节液面使之恰好与毛细管尖端相切。打开抽气瓶活塞，使体系内的压力有一定降低，关闭抽气瓶气瓶活塞，使体系内的压力有一定降低，关闭抽气瓶气瓶活塞，使体系内的压力有一定降低，关闭抽气瓶气瓶活塞，使体系
9、内的压力有一定降低，关闭抽气瓶活塞，若活塞，若活塞，若活塞，若2 23min3min内压力计液面高度差不变，则说明内压力计液面高度差不变，则说明内压力计液面高度差不变，则说明内压力计液面高度差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。体系不漏气，可以进行实验。体系不漏气，可以进行实验。体系不漏气，可以进行实验。2.2.仪器常数的测量仪器常数的测量仪器常数的测量仪器常数的测量 ： 打开抽气瓶活塞，调节抽气打开抽气瓶活塞，调节抽气打开抽气瓶活塞，调节抽气打开抽气瓶活塞，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出
10、，且每个气泡速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间约为形成的时间约为形成的时间约为形成的时间约为5 510s10s。记录压力计读数，连续读。记录压力计读数，连续读。记录压力计读数，连续读。记录压力计读数，连续读取三次，取其平均值。由水的表面张力取三次，取其平均值。由水的表面张力取三次，取其平均值。由水的表面张力取三次，取其平均值。由水的表面张力 ，可求仪器，可求仪器，可求仪器，可求仪器常数。常数。常数。常数。 11n3.表面表面张力随溶液力随溶液浓度度变化的化的测定定：用少量用少量0.005mol/L正丁醇溶正丁醇溶液液润洗表面洗表面张力力仪，注入正丁醇溶液以使液面恰与毛，注
11、入正丁醇溶液以使液面恰与毛细管尖端相切，管尖端相切，同步同步骤2的操作，的操作，记录压力差力差计的液面高度差，的液面高度差，连续读取三次，取其取三次，取其平均平均值。然后依次。然后依次换取取0.15mol/L、0.25mL、0.35mol/L、0.45mol/L、0.50mol/L正丁醇溶液，每正丁醇溶液，每换一次一次测定一次定一次压力差力差h最最大，大，平行平行测定三次，取平均定三次，取平均值。12五.注意事项：. .仪器系统不能漏气。仪器系统不能漏气。仪器系统不能漏气。仪器系统不能漏气。. .所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其所用毛细管必须干净
12、、干燥，应保持垂直，其所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。管口刚好与液面相切。管口刚好与液面相切。管口刚好与液面相切。. .读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压差。最大压差。最大压差。最大压差。13六.数据处理：1.1.计算仪器常数计算仪器常数计算仪器常数计算仪器常数K K和溶液表面张力和溶液表面张力和溶液表面张力和溶液表面张力 ，绘制，绘制，绘制，绘制 C C等等等等温线。温线。温线。温线。2.2.作切线求作切线求作切线求作切线求Z Z，并
13、求出，并求出，并求出，并求出 ，C C/ / 。3.3.绘制绘制绘制绘制 C C，C C/ / C C等温线，求等温线，求等温线，求等温线，求 并计算并计算并计算并计算S So o。 14七.思考题：1.1.用最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？用最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？用最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？用最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？2.2.毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切？否则对实验毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切？否则对实验毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切？否则对实验毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切？否则对实验
14、有何影响？有何影响？有何影响？有何影响？3.3.最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？如果气泡逸出的很快，或几个气泡一齐出，对实验结果如果气泡逸出的很快，或几个气泡一齐出，对实验结果如果气泡逸出的很快，或几个气泡一齐出，对实验结果如果气泡逸出的很快，或几个气泡一齐出，对实验结果有无影响？有无影响？有无影响？有无影响？4.4.本实验选用的毛细管尖的半径大小对实验测定有何影本实验选用的毛细管尖的半径大小对实验测定有何影本实验选用的毛细管尖的半径大小对实验测定有何影本实验选用的毛细管尖的半径大小对实验测定有何影响？若毛细管不洁净会不会影响测定结果？响？若毛细管不洁净会不会影响测定结果？响？若毛细管不洁净会不会影响测定结果？响？若毛细管不洁净会不会影响测定结果？
