最大泡压法测定溶液的表面张力(00001)

最大泡压法测定溶液的表面张力 最大泡压法测定溶液的表面张力 一、实验目的 1.测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量。2.了解气液界面的吸附作用，计算表面层被吸附分子的截面积及吸附层的厚度。3.掌握最大气泡法(或扭力天平)测定溶液表面张力的原理和技术。二、预习要求 1.掌握最大气泡法(或扭力天平)测定表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。2.了解如何由表面张力的实验数据求分子的截面积。3.掌握如何由实验数据计算吸附量。三、实验原理 从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程，欲使液体产生新的表面 A，就需对其做功，其大小应与 A 成正比:式中，为溶质在表层的吸附量;为表面张力;C 为吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度。当 0 称为正吸附；当 0 时，0 称为负吸附。吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，被吸附的表面活性物质分子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图-23-1 看出。图-23-1 中(1)和(2)是不饱和层中分子的排列，(3)是饱和层分子的排列。当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层，分子排列方式如图-23-1(3)所示。这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。如果在恒温下绘成曲线=f(C)(表面张力等温线)，当 C 增加时，在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至 的变化很小，这时 的数值恒定为某一常数(见图-23-2)。利用图解法进行计算十分方便，如图-23-2 所示，经过切点 a 作平行于横坐标的直线，交纵坐标于 b点。以 Z 表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，显然Z的长度等于，图-23-1 被吸附的分子在界面上的排列图 -23-2 表面张力和浓度关系图 (3)以不同的浓度对其相应的 可作出曲线，=f(C)称为吸附等温线。根据朗格谬尔(Langmuir)公式:(4)为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的，(5)以 C/对 C 作图，得一直线，该直线的斜率为 1/。由所求得的 代入 A=1/L 可求被吸附分子的截面积(L 为阿佛加得罗常数)。若已知溶质的密度，分子量 M，就可计算出吸附层厚度 (6)测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大气泡法和扭力天平法。最大泡压法 一、结构原理 最大气泡法的仪器装置如右图所示:A 为表面张力仪，其中间玻璃管 F 下端一段直径为 0.2mm0.5mm 的毛细管，B 为充满水的抽气瓶，C 为 U 型压力计，内盛比重较小的水或酒精、甲苯等，作为工作介质，以测定微压差。将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使 F 管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内液面上受到一个比A瓶中液面上大的压力，当此压力差附加压力(p=p大气-p系统)在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口脱出，此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:(7)式中，p 为附加压力；为表面张力；R 为气泡的曲率半径。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。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 R 和毛细管半径 r 相等，曲率半径达最小值，根据上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，直到气泡逸出。根据上式，R=r 时的最大附加压力为:(8)实际测量时，使毛细管端刚与液面接触，则可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力，这样就可直接用上式进行计算。当用密度为 的液体作压力计介质时，测得与 p 最大相适应的最大压力差为 h 最大则:(9)当将 合并为常数 K 时，则上式变为:(10)式中的仪器常数 K 可用已知表面张力的标准物质测得。二、仪器药品 1.仪器 最大泡压法表面张力仪 1 套;吸耳球 1个；移液管(50mL 和 1mL)各 1 只;烧杯(500mL)只。2.药品 正丁醇(化学纯);蒸馏水。三、实验步骤 1.仪器准备与检漏 将表面张力仪容器和毛细管先用洗液洗净，再顺次用自来水和蒸馏水漂洗，烘干后按图-23-3 按好。将水注入抽气管中。在 A 管中用移液管注入 50mL 蒸馏水，用吸耳球由 G 处抽气，调节液面，使之恰好与细口管尖端相切。然后关紧 G 处活塞，再打开活塞 H，这时管 B 中水流出，使体系内的压力降低，当压力计中液面指示出若干厘米的压差时，关闭 H，停止抽气。若 2min3min 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。2.仪器常数的测量 开 H 对体系抽气，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间为 10s20s(数显微压差测量仪为5s10s)。若形成时间太短，则吸附平衡就来不及在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液面差达到最大值，记录压力计两边最高和最低读数，连续读取三次，取其平均值。、再由手册中，查出实验温度时，水的表面张力，则仪器常数 3.表面张力随溶液浓度变化的测定 在上述体系中，用移液管移入 0.100mL正丁醇，用吸耳球打气数次(注意打气时，务 必使体系成为敞开体系。否则，压力计中的液体将会被吹出)，使溶液浓度均匀，然后调节液面与毛细管端相切，用测定仪器常数的方法测定压力计的压力差。然后依次加入0.200mL、0.200mL、0.200mL、0.500mL、0.500mL、1.00mL、1.00mL 正丁醇，每加一次测定一次压力差 h最大。正丁醇的量一直加到饱和为止，这时压力计的 h 最大值几乎不再随正丁醇的加 入而变化。四、注意事项 1.仪器系统不能漏气。2.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。3.读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。五、数据处理 1.计算仪器常数 K 和溶液表面张力，绘制 C 等温线。2.作切线求 Z，并求出，C/。3.绘制 C，C/C 等温线，求 并计算 A 和。【思考问题】1.毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切?否则对实验有何影响?2.最大气泡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，对实验结果有无影响?