最大气泡法测定溶液中的吸附作用和表面张力的测定

最大气泡法测定溶液中的吸附作用和表面张力的测定1.1 实验目的及要求1. 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。2. 掌握一种测定表面张力的方法最大气泡法。3. 学会计算乙醇水溶液的表面张力、表面吸附量及乙醇分子的横截面积。1.2 实验原理1. 物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面层分子受到向内的拉力，所以 液体表面都有自动缩小的趋势。如果把一个分子由内部迁移到表面，而增大表面积就 需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面增加dA所需对体系 做的功，叫表面功。可以表示为：-3 w dA 式中c为比例常数，反映液体表面自动缩小趋势的能力。显然 在数值上等于当 T、 p 和组成恒定的条件下增加单位表面积时所必须对体系 做的可逆非膨胀功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。环境对体 系作的表面功转变为表面层分子比内部分子多余的自由能。 因此， 称为表面自由能， 其单位是 J m 2 。此单位可化为牛顿每米（ N /m 1），据此可把 看作是液体表面单位 长度上的力，它导致缩小液体的表面积，此力称为表面积张力。表面张力是液体的重 要特性之一，及所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。纯液体的表 面张力通常是指该液体及饱和了其本身蒸气的空气共存的情况而言。2. 液体表面层的组成及内部层相同，因此，纯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积。对于溶液则由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质 在表面层的浓度来降低表面自由能。根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部来得大。反之溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度来得低，这种表面浓度及溶液内部浓度不同的现象叫“溶液表面的吸附”。显然，在指定温度和压力下，吸附及溶液的表面张力及溶液的浓度有关。1878年，Gibbs用热力学的方法推导出它们之间的数量关系式：(2)式中 为溶液在表面层中的吸附量，即表面超量单位mol dm 3；为溶液的表面张力J m2 ； T为热力学温度；c为溶液浓度 单位mol dm3 ； R为气体常数。当时， 0称为正吸附；反之，当时，0称为负吸附。前者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质称表面活性物质。后者表明加入溶质使液体表面张力升高， 此类物质称非表面活性物质。因此，从 Gibbs关系式可看出，只要测出不同浓度溶液 的表面张力，以 对c作图，在 c图的曲线上作不同浓度的切线，把切线的斜率代 入Gibbs吸附公式，即可求出不同浓度时气液界面上的吸附量。在一定的温度下，吸附量及溶液浓度之间的关系由Langmuir等温式表示：(3)式中 为饱和吸附量，K为经验常数，及溶质的表面活性大小有关。将(3)式取倒数可化成直线方程则：(4)若以-对c作图可得一直线，由直线斜率即可求出。假若在饱和吸附的情况下，在气一一液界面上铺满竖直排列的一单分子层，1m表面上溶质的分子数为L (L为阿佛加得罗常数)，则可应用下式求得被测物质的横截面积S O3. 最大气泡法测定表面张力的装置和原理最大气泡法测表面张力的装置将待测表面张力的液体装入带支管的试管中，盖上带有毛细管的塞子(组成表面张力仪)。当表面张力仪中的毛细管端面及待测液体面相切时，液面即沿毛细管上升。 打幵分液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而减少系统压力。这样毛细管内液面上受到一个 比试管中液面上大的压力，而把管中液面压至管口。当此压力差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，便形成最大的气泡而从毛细管口逸出。这一最大压力差可由U型压力计上读出。根据拉普拉斯方程，此压力差Pmax及毛细管口半径R的关系式为P大气-P系统=Pmax(6)这一最大压力差Pmax可用U型压力计中最大的液柱差hmax表示：2 ”P maxg hm( 7/R式中为U型管中液体的密度，g为重力加速度，因此1g hmax K hm( 8)2式中：K为仪器常数(亦称毛细管常数)。因此，以已知表面张力的液体为标准，从式(8)即可求出K再测得其它液体的hmax，便可计算其表面张力。1. 3仪器及药品恒温装置1套，烧杯(25ml)1个，带有支管的试管(附木塞)1支，毛细管(半径为0.150mm0. 020mm）1根，容量瓶（50mL）8只，数字式微压差测量仪1台，乙醇（分析纯 ） 。1. 4 实验步骤1. 安装仪器：洗净仪器并按图装置。对需干燥的仪器作干燥处理。2. 配置乙醇溶液：分别配制 0. 02mol/L ， 0.05mol L， 0. 10molL， 0. 15molL， 0.20molL，0. 25molL， 0. 30mol/L ， 0. 35mol/L 乙醇溶液各 50mL。3. 调节恒温为25Co4. 仪器常数测定，先以蒸馏水作为待测液测定其仪器常数。方法是将干燥的毛细管垂 直地插到使毛细管的端点刚好及水面相切，打开滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管 逸出的气泡，速度约为5s10s1个。在毛细管口气泡读出 U型管两边液面最大高度差hmax。可读三次，取其平均值。通过手册查出实验温度时水的表面张力，利用公式K / hmax ，求出仪器常数 Ko5. 待测样品表面张力的测定：用待测溶液洗净试管和毛细管，加入适量样品于试管中，按照仪器常数测定的方法，测定不同待测样品的hmax。计算其表面张力。6. 乙醇溶液的折光率测定：每个样品测出hmax后，随即用滴管吸取该溶液1 2滴，置于棱镜上，用阿贝折光 仪测其折光率（ nD ）。查工作曲线得各样品的准确浓度。1.5 实验注意事项1. 测定用的毛细管一定要洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地流过，而使压差 计读数 I 不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。2. 毛细管一定要保持垂直，管口刚好插到及液面接触。3. 杂质对 的影响很大，配制溶液应使蒸馏水。4. 应读出气泡单个逸出时的最大压力差。5. 及温度密切相关，应使表面张力仪浸入恒温槽的水中。1. 6数据处理1. 由附录表中查出实验温度时水的表面张力，算出毛细管常数Ko2. 由实验结果计算各份溶液的表面张力，并作 c曲线。3. 在 c曲线上分别在 0. 050mol/L，0. 100mol/L，0. 150mol/L，0. 200mol /L，0. 250mol/L和0. 300mol/L处作切线，分别求出各浓度的值，并计算在各相 应浓度下的。4. 用-对c作图，应得一条直线，由直线斜率求出。5. 根据公式(2.5)计算乙醇分子的横截面积 S。溶液项目102(N/m)25n dABCDEFGHHbO4.934.683.803.633.143.062.852.606.274.944.693.813.623.133.072.842.616.274.944.693.803.613.153.072.852.636.274.944.693.803.623.143.072.852.616.275.67005.38324.36164.15503.60413.52373.27122.99587.1961.33521.33611.34101.34291.34851.34891.35291.3576C%3.895.0512.0014.5522.2022.7628.8538.19(/ c) T 103-208.3-170-105.4-70.74-58.37-53.18-38.26-16.551063.2603.4534.9914.1405.2134.8674.4402.5432(mol/m )-4c/101.1931.4622.4043.5144.2974.6766.49815.02102C%关系图106c%关系图1.7思考题1.用最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差U型压力计中的解：若抽气速度太快，气泡的形成及逸出速度快而不稳定；亦使酒精所处的位置相对不稳定，来回速度跳动，致使读数不稳定，不易观察出其最高点 而起到较大的误差。2. 如果毛细管末端插入溶液中进行测量行吗？为什么？ 解：不行。若插入到液体内部形成气泡的表面张力就不等于液面的压力差，即。在气泡破裂之前，它所承受的最大压力差及浸入的深度、体积有关，即浮力、重力的 等因素影响而测不准 。3. 本实验中为什么要读取最大压力差？ 解：分析毛细管口气泡的形成及破裂的过程中，气泡的半径及气泡膜表面张力的关系如图：当 R 时，气泡的 达到最大，此时等于 pmax p0 pmax 。当 R 时， 减小；而 继续抽气，使压力差增大而导致气泡破裂。1. 8 讨论1.若毛细管深入液面下 Hem则生成的气泡受到大气压和 h g的静液压。如能准 确测知H值，则根据（Pi H g）来测定 值。但若使毛细管口及液面相切，则 H= 0, 消除了 H g项，但每次测定时总不可能都使 H= 0,故单管式表面张力仪总会引入一 定的误差。有一种双管式表面张力测定仪，用两根半径不同的毛细管，细毛细管的半径r1约0. 005em 0. 01cm,粗毛细管半径约为 0. 1em 0. 2cm,同时插入液面下相同深度，同法压入气体使在液面下生成气泡，由于管径不同，所需的最大压力也不 相同，设粗，细两毛细管两者的压力差为p，则所测液体的表面张力可通过下式求得：e A p1 0.69r2g / p式中r2为粗毛细管半径，可由读数显微镜直接测量；A为仪器的特性常数，可由已知表面张力液体的压力差而求得；为被测液体的密度。这种仪器的优点，是毛细管插入液面的高低对结果没有影响，其准确度可达0.1 %，但对粗细毛细管的孔径有一定要求。2. 测定表面张力的方法很多，如毛细管升高法、滴重（体积）法及圈环法等。3. 各种测定表面张力方法的比较：圈环法精确度在1%以内，它的优点是测量快，用量少，计算简单，故对表面张 力随时间而很快变化的胶体溶液特别有用。亦可来研究溶液表面温度的变化情况。如 果利用适当的仪器也具有好的精度。最大的缺点是控制温度困难。对易挥发性液体常 因部分挥发使温度较室温略低。最大气泡法所用设备简单，操作和计算也简单，一般 用于温度较高的熔融盐表面张力的测定，对表面活性剂此法很难测准。毛细管上升法 最精确（精确度可达0. 05%），因而常用来作等张比容测定以研究分子的结构。但此 法的缺点对样品润湿性要求极严，只有对管壁接触角为。的样品才能得准确结果， 对口角不为。的样品，计算式中含有cos项，而角难以测准，因此毛细管法在应用上受到限制。滴体积法设备简单操作方便，准确度高，同时易于温度的控制，已在很 多科研工作中幵始应用，但对毛细管的要求较严，要求下口平整、光滑、无破口。表2为不同方法测定表面张力方法的比较表面平衡情及润湿性是否要p方法况关系值仪器温控数据处理毛细管很好密切有关要测高仪或易要校正法读数显微镜脱环法好有关要扭力天平不易应加校正气泡法不平衡基本无关要U型压力计不易应加校正滴体积接近平衡但不基本无关要微量吸管或易要校正完全天平实验温度25C溶液A项目HbO210(N/m)25n dC%55.648.643.839.435.333.132.231.074.85.3484.6734.2113.7863.3983.2833.1022.9827.1971.33681.33981.34281.35081.35291.35601.33306.210.414.420.125.528.934.640.1(/ C) T 1031062(mol/m )-4C/ 1047.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.0102C%关系图