石工10-15班+10051212+丁耀+表面张力测定最大压差法+11

中国石油化学原理（二）实验报告实验日期： 2010-10-12 成绩： 班级：石工10-15班 学号： 10051212 姓名： 丁耀 教师： 王增宝 同组者： 张振涛，李冰青 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，测定装置如图21。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）图一 表面张力测试装置式中 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 22 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, (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 h0（此时斜管压力计两端都通大气）。按图 21 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 0.02mon/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.由附录二查出实验温度下蒸馏水的表面张力，=73.05mN/m。 2.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，并取一组数据计算实例。表1 正丁醇表面张力与浓度表（21）以浓度为0.05mol/L时的数据为例：由公式 =（0.551330.6106772.59=65.537（mN/m），借助excel软件同理可得其他浓度正丁醇溶液的表面张力，如上表所示。3.以表面张力为纵坐标，以浓度c为横坐标，借助excel软件画出正丁醇溶液的-c 的散点图，并用多项式进行拟合。 图14. 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。然后做出正丁醇溶液吸附等温线如图图2六.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。因为伸入水下有水压p=，当毛细管深入液面 1mm时，p1=9.8Pa，p2=9.8Pa，由公式，得：产生的误差为（p2+0.0098）/（p1+0.0098）1。2.实验中，为什么要尽量放慢鼓泡速度？答：目的是让气泡逐渐形成，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，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。因为从浓溶液到稀溶液，浓溶液在容器壁上残留的溶液对稀溶液浓度影响比从稀到浓，稀溶液在容器壁上残留的溶液对浓溶液浓度影响大的多，所以从稀到浓逐个测定不同浓度溶液的表面张力 4.解释-c 曲线的变化趋势。答：随着浓度的不断增大，表面张力不断地减小。正丁醇溶液的液体表面分子同时受到空气分子与液体内部分子的吸引力，正丁醇分子的非极性部分随着浓度的增大而在液体表面排列的越来越紧密，空气分子对它的吸引力越来越大，所以表面张力不断减小，但减小速率逐渐变小。开始时，曲线变化速率很快，随浓度增加，变化速率逐渐变慢。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，此时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毛细管与液面是否刚刚接触液面，气泡是否缓慢的鼓出，在从稀溶液到浓溶液逐个测定不同浓度溶液的表面张力实验中稀溶液在容器壁上是否有残留的溶液，以及读数操作等人为误差。