实验9溶液中的吸附作用和表面张力的测定.docx

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实验9溶液中的吸附作用和表面张力的测定

实验九溶液中的吸附作用和表面张力的测定

——最大气泡压力法

【摘要】

在溶液的表面层中的物质的浓度与溶液内部物质浓度不同的现象称为吸附，本实验利用最大气泡法，根据Gibbs公式和Langmuir等温方程式研究吸附量与溶液浓度及表而张力的关系。

[Abstract]

Thephenomenonthattheconsistencyofasubstanceinthesurfaceofthesolutionisdifferentfromthatinsideiscalledabsorption.Inthisexperiment,accordingGibbsformulaandLangmuirequal-temperatureequation,weapplythebiggestbladder

pressuremethodtoresearchtherelationamongtheamountofabsorptionandtheconsistencyofasubstanceinthesolutionbesidesthesurfacetension.

【关键词】

吸附作用表面张力

[Keywords]

Absorptioneffect

最大气泡压力法

Surfacetension

Thebiggestbladderpressuremethod

【实验部分】

一、实验目的与要求：

1、通过测泄不同浓度（c）正丁醇水溶液的表而张力（），由一c曲线求溶液界而上的吸附量和单个正丁醇分子的横截面积（£）。

2、了解表而张力的性质、表而能的意义以及表而张力和吸附的关系。

3、掌握一种测定表而张力的方法一最大气泡法。

二、预习要求：

1、掌握最大气泡压力法测圧表面张力的原理。

2、了解影响表而张力测定的因素。

3、了解如何由表而张力的数据求正丁醇的横截而积。

三、实验原理：

1、物体表面的分子和内部分子所处的境况不同，因而能量也不同，。

。

。

。

十。

如图11-1,表面层的分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动。

。

。

；。

。

缩小的趋势。

如要把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而°°。

作功，故表而分子的能量比内部分子大。

增加体系的表面，即增加了°°°°°°体系的总能虽:

。

体系产生新的表而（A）所需耗费功（初的量，其图13"L表曲分子和大小应与月成正比。

内部分子的不同情况

一胆A（12-1）

如果A=lm:

，则一，即在等温下形成lm‘新的表面所需的

可逆功。

故称为单位表而的表面能，其单位为这样就把看作为作用在界而上每单位长度边缘上的力，通常称为表而张力。

它表示表面自动缩小的趋势的大小。

表而张力是液体的重要特性之一，与所处的温度、压力、液体的组成共存的另一相的组成等有关。

纯液体的表而张力通常指该液体与饱和了其自身蒸气的空气共存的情况而言。

2、在纯液体情形下，表而层的组成与内部的组成相同，因此液体降低体系表而自由能的唯一途径是尽可能缩小苴表而积。

对于溶液，由于溶质会影响表而张力，因此可以调节溶质在表而层的浓度来降低表而自由能。

根据能量最低原理，溶质能降低溶液的表面张力时，表而层中溶质的浓度应比溶液内部大，反之，溶质使溶液的表面张力升高时，它在表而层中的浓度比在内部的浓度低。

这种表而浓度与溶液里而浓度不冋的现象叫“吸附”。

显然，在指龙温度和压力下，吸附与溶液的

表面张力及溶液的浓度有关。

Gibbs用热力学的方法推导出它们间的关系式

（12-2）

式中，一一气一液界而上的吸附咼（mol-rn"）:

——溶液的表而张力（N・nT）;

T-一绝对温度（K）:

c一溶液浓度（mol・m“）；

R——气体常数（8.314J.mor-r）o

不同浓度c时的切线，把切线的斜率B（（—）r）代入

为饱和吸附量，A•为经验常数，与溶质的表而活性大小有关。

将（3）式化成直线方程,

若以*〜C作图可得一直线，由直线斜率即可求出r^。

图11-3正丁醇水溶液的表面

张力与浓度的关系图

假设在饱和吸附情况下，正丁醇分子在气一液界而上铺满一单分子层，则可应用下式求得正丁醇分子的横截而积

°~rwiV式中，N—阿佛加徳罗常数。

3、最大气泡压力法测量表而张力的装置示意图如11一4。

当表面张力仪中的毛细管截而与欲测液面相齐时，液而沿毛细管上升。

打开滴液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而使体系内的压力增加，这时毛细管内的液而上受到一个比恒温试管中液而上稍大的压力，因此毛细管内的液而缓缓下降。

当此压力差在毛细管端而上产生的作用力稍大于毛细管口溶液的表而张力时，气泡就从毛细管口逸岀。

这个最大的压力差可由数字式微压差测量仪上读出。

如毛细管的半径为，气泡由毛细管口逸岀时受到向下的总作用力为打心而

PP瞰一P矢p=hg

式中，力一数字式微压差测量仪上的读数

&一重力加速度

一压力计内液体的密度

气泡在毛细管上受到表而张力引起的作用力为2r0气泡自毛细管口逸岀时，上述两种

力看作相等，即：

7tr~P..人=耐込hpg11（6）

r

b=q'hpg

若用同一只毛细管和压力计，在同一温度下，对两种溶液而言，则得:

5A/l6

11⑺

—=—L5=亠物=K'M

6A/z.1A/z.11

式中K'为毛细管常数匚

用已知表面张力：

的液体为标准，从（7）式可求出其他液体的表面张力

四、仪器与药品：

超级恒温水浴

1台

数字式微压差测量仪

1台

恒温套管

1支

毛细管（半径为0.15〜0.2mm）

1支

lOOmL容量瓶

7个

2mL移液管

1支

250mL分液漏斗

1个

500mL塑料烧杯

1个

正丁醇（分析纯）

5.实验步骤：

1、毛细管常数的测定：

按实验装宜图装好仪器，打开恒温水浴，使英温度稳左于25°CO取一支浸泡在洗液中的毛细管依次次用自来水、蒸憎水反复淸洗若干次，同样把玻璃套管也淸洗干净，加上蒸憾水，插上毛细管，用套管下端的开关调节液面恰好与毛细管端而相切，使样品在其中恒温

10分钟。

在分液漏斗中加入适量的自来水，注意切勿使体系漏气。

然后调肖分液漏斗下的活塞使水慢慢滴下，这时体系压力逐渐减小，直至气泡由毛细管口冒出，细心调肖出泡速度,使之在5-10秒钟内出一个。

注意气泡爆破前数字式微压差测量仪的读数，并用电脑采集数据得到最大的压差值，求平均值而得山°。

根据手册查出25°C时水的表而张力为=71.97Xl（TN・nf',以/力”求出所使用的毛细管常数，此值控制在8cm左右为宜，否则毛细管太粗误差较大，毛细管太细，易堵塞，气泡很难逸出。

2、不同浓度的正丁醇溶液表而张力的测定：

用2mL移液管分别移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中，然后稀释到刻度。

重复上述实验步骤，按照由稀至浓的顺序依次进行测量。

求得一系列浓度的正丁醇溶液的h°

本实验的关键在于溶液浓度的准确性和所用毛细管、恒温套管的淸洁程度。

因此除事先用热的洗液淸洗它们以外，每改变一次测量溶液必须用待测的溶液反复洗涤它们，以保证所测量的溶液表而张力与实际溶液的浓度相一致。

并控制好出泡速度、平稳地重复岀现压力差。

而不允许气泡一连串地岀。

洗涤毛细管时切勿碰破其尖端，影响测量。

温度对该实验的测量影响也比较大，实验中请注意观察恒温水浴的温度，溶液加入测量管后恒温lOmin后再进行读数测量。

六、实验注意事项：

1、测左用的毛细管一泄要先洗干净，否则气泡可能不能连续稳左地通过，而使压力计的读数不稳定。

2、毛细管一定要垂直，管口要和液面刚好接触。

3、表而张力和温度有关，因此要等溶液恒温后再测量。

4、控制好出泡速度，读取压力计的压力差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。

七、数据记录及处理：

1、数据记录不再赘述，详见ftp上相关文件。

2、毛细管的最大压力差（因数据过多，作散点图即可）：

---

0402

88877

（Ed）狀Ytax邂

39896

794-

7921>（,j,],j,j,,

020004000600080001000012000

时间（0.25S）

图_、蒸馆水的P-t散点图

最大压力差为804Pa

又可知25oC时水的表而张力为：

①二0.07197N/m则毛细管常数为：

K二J°/AP二8.98X10」'N/（m*Pa）不同浓度的正丁醇溶液数据处理如下：

二一绘大压力差（Paf

700」

-5000500100015002000250030003500

时间（0.25s）

图二、加入0.4ml正丁醇溶液的P-t关系图

最大压力差为692Pa

最大压力差（Pa）

620-r

618-

丄

616-

乙

614-

612-

乙

610-

丄

608-

606・

-20002004006008001000

时问（0.25s）

图三、加入0.8ml正丁薛溶液的PP关系图最大压力差为619Pa

（ed）棚占l=6x盲

582-

580-

78

5

76

5

72

5

70

5

56

「r

1200140016001800

最大压力差（Pa）

566——i11—

0500

时间（0.25s）图四、加入1.2ml正丁醇溶液的P-t关系图最大圧力差为579Pa

最大压力差（Pa）

52

460

440

420

00

380

100012001400

0200400600800

时间（0.25s）

图四、加入1.6ml正丁醇溶液的P-t关系图

最大压力差为524Pa

最大压力差（Pa）

最大压力差为505P&

最大压力差（Pa）

480

360|.|

2000

01000

时间（0.25s）

最大压力差（Pa）

图六、加入2.4ml正丁醇溶液的P-t关系图

最大压力差为470Pa

（ed）ffiK?

HYSr

图11-5—c图

图七、加入2.8ml正丁醇溶液的P-t关系图最大压力差为438Pa

故有

容量瓶编号

加入正丁醇体积（ml）

溶液浓度c（mol/L）

最大压力差（Pa）

正丁醇溶液5（N/m）

1

0.4

0.04371

692

0.0621416

2

0.8

0.08743

619

0.0555862

3

1.2

0.13110

579

0.0519942

4

1.6

0.17490

524

0.0470552

5

2.0

0.21860

505

0.0453490

6

2.4

0.26230

470

0.0422060

7

2.8

0.30600

438

0.0393324

表一、不同溶液的最大压力差与6

3、在电脑中的Origin程序上作一c图，用多次方拟合各个数据点，得到光滑曲线和曲线的多项式方程=f

微商后得到切线微分方程式（―）=r^（。

丿，如图11一5所示。

de

Equation

y=Intercept+B1*xA

1+B2*xA2

Weight

NoWeighting

ResidualSumof

Squares

2.59788E-6

Adj.R-Square

0.98979

Value

StandardError

正丁醇涓液0

Intercept

0.06751

0.00126

B1

-0.14226

0.01647

B20.16890.04602

知§与C的关系为

S=0.06751-0.14226c+0.1689「2

4、在光滑曲线上选取6-7个浓度点，代入微分方程式（―（小中，得到6-7de

个不同浓度下的切线斜率（―），

de

容量瓶编号

加入正丁醇体积（ml）

正丁醇水溶液的（d5/de）

1

0.4

-0.1275

2

0.8

-0.1127

3

1.2

-0.0980

4

1.6

-0.0832

5

2.0

-0.0684

6

2.4

-0.0537

7

2.8

-0.0389

表二不同溶液的（M/dc）

cd（7

5、由r=——（―）w不同浓度溶液的吸附量值，计算o/r的值，作r-c图。

RTde

容量瓶编号

加入正丁醇体积（ml）

正丁醇水溶液的T

正丁醇水溶液的c/T

1

0.4

2.24817E-06

19442.5172

2

0.8

3.97594E-06

21989.7441

3

1.2

5.18168E-06

25300.6764

4

1.6

5.86891E-06

29801.0995

5

2.0

6.03349E-06

36231.0829

6

2.4

5.67759E-06

46199.1674

7

2.8

4.80121E-06

63733.9972

表三.不同溶液的、c/厂

Aj

0.0000065

0.0000060-

0.0000055・

00000050-

0.0000045-

0.0000040-

0.0000035・

0.0000030・

0.0000025-

0.0000020-

000

—■—正丁醇水溶液的T

PolynomialFitofSheetlB"正丁醇水溶】夜的T”

005010015020025030035

溶液浓度c（mol/L）

图八、r-c图

Equation

y=Intercept+B1*xA1亠B呼2

Weight

NoWeighting

ResidualSumof

Squares

3.45545E-23

Adj.R-Square

1

Value

StandardError

正丁醇水溶憑的T

Intercept

7.74691E-12

4.58023E-12

B1

5.73901E-5

6.00514E-11

B2

-1.36274E-41.67831E-10

6、以卡〜c作图，由直线斜率求出（以mol-m2表示）并计算3的值，用¥表示&的大

-■-正丁醇水洛液的C/T

——LinearFitofSheetlB”正丁醇水溶液的c/广

0.000.050.100.150.200.250.300.35

由U

rrx

溶液浓®C（mol/L）

Equation

y=a+b*x

Weight

NoWeighting

ResidualSumofSquares

1.64S85E8

Pearson'sr

0.94289

Adj.R-Sq；uare

036685

Value

StandardError

正丁薛水落渡的C/T

Intercept

7213.22732

4850.1874

Slope

157025.6&091

24808.52657

图九、O/T—C图

i

斜率为157025.66091L©）二（1/157025.66091）加°广=6.3684x106moP1

S=—Lr=A2=2.6084xl019nr

rx/v

査阅资料知，正丁醇分子的横截面积为2.4X1019〜3・2xlO"V,本实验做得较为成功。

【实验总结与误差分析】

cC\

1、一般教科书都用-=—+来分析r-c的关系，并将「8称为饱和吸附量。

11nl一

但是，表面吸附量1•的概念是一种表而超量（表而过剩），是指单位面积的表层中所含溶质的

量与具有相同质量溶剂的本体溶液中所含溶质的量之差。

因此从表而超量角度理解，当浓度

较低时，由于溶质（具表而活性）优先排布在溶液表而层，使I’随浓度增加而增加。

当浓度增

大到一左值后，再增加溶质浓度，必龙使溶质在表面层的浓度与在体相中的浓度之差越来越

小，直到浓度无限大时，这个差值为零。

因此吸附量

I'达到极大值后，会逐渐减少，直到「8=0。

显然上式没有体现这一特征。

2、实验中在淸洗毛细管时一泄要耐心、仔细，这是实验成功的关键，否则气泡不能连续形成。

【实验改进建议】

可用希什科夫斯基模型拟合了§-c关系曲线，拟合效果较好，拟合后的处理步骤简便,并用外推法确定正丁醇分子横截面积，结果更准确。

希什科夫斯基经验公式：

3=/水[1-Ajln（l+—）]

*2

在origin卜呢义该函数

//

void_n1sfNewFunction2（

//FitParameter（s）:

doubleXI,X2,

//IndependentVariable（s）:

doublex,

//DependentVariable（s）:

doubley>

{

//Beginningofeditablepart

y=0.07197*（1-Xl*ln（l+X2/D））

//Endofeditablepart

}

画图后知

A

A:

摩尔浓度c

B:

$

图十、希什科夫斯基经验公式拟合图

Model

NewFunction（Use『）

Equation

y=0.07197*（1-A*ln（1+x/B））

ReducedChi-Sqr

3.35399E-7

Adj.R-Square

0.99473

Value

StandardError

B

A

0.24724

0.0177

B0.05999

0.00819

/?

2=0.99473,说明拟合效果好

测算岀不同浓度C下的§带入希什科夫斯基经验公式得旺、七，然后求导带入Gibbs吸附公式r=-—•竺知

RTde

cRTRTx.

—=c+

r耳州玉册

即可得出结果

【参考资料】

1•复旦大学物理化学实验2004

2.丑华.朱宇萍最大气泡法测泄乙醇溶液表而张力2009（6）

3.王瑞芳最大泡压法测溶液表而张力实验数据的讣算机处理2001

（2）

4•谢祖芳用Origin处理溶液表而张力实验数据2007

（注：

本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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）