溶液表面张力的测定最大气泡压力法.docx
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溶液表面张力的测定最大气泡压力法
一、实验目的
1、用最大气泡法测定不同浓度乙醇溶液的表面张力。
2、了解表面张力的性质，表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系。
3、学会镜面法作切线的方法。
二、实验原理
1、用本法测定[乙醇，水]溶液的数据对[σ，c]，作图将c-σ曲线在不同浓度的斜率T代入吉布斯等温吸附式：
Γ=﹣
T
（1）
求出相应的吉布斯吸附量Γ；
按朗格茂尔等温吸附变形公式：
（2）
以c/Γc-c直线斜率tgβ求出饱和吸附量，进而得出乙醇分子横切面积S和分子长度，结合直线截距得出吸附系数α：
=（tgβ）-1（3）
以上个式中，c为浓度；T为绝对温度（K）；σ为表面张力；Γ为吉布斯吸附量；M为溶质摩尔质量；ρ为溶质密度；S为分子截面积；δ为分子长；α为吸附系数；NA为阿伏伽德罗数（6.02×1023/mol）；R为气体常数。
为了求以上参数，关键是测σ。
2、表面张力及界面张力，矢量。
源于凝聚相界面分子受力不平衡，意为表面的单位长度收缩力。
σ也是在个条件下凝聚系表面相得热力学强度性质，如果恒温、恒压下扩大单位表面积所需的可逆功，故亦称为表面自由焓。
σ与凝聚相和表面共存接触相种类有关，还与T,P有关，与凝聚相纯度和杂志种类有关。
浓度升高，溶液的σ有增有减，随溶质、溶剂而异，表面活性剂是两亲分子，他们的水溶液σ随浓度升高先剧降，后微升，在渐趋稳定。
σ随c而变化的本质是溶液表面浓度对体相浓度的偏离，此现象称为表面吸附。
表面吸附量Γ与浓度有关，用吉布斯等温吸附方程
（1）求出
为σ-c曲线在指定浓度的斜率。
<0,Γ>0为正吸附，表面浓度较体浓度高，达饱和吸附时，Γ趋于饱和吸附量
，此时两亲分子在溶液表面处于高度有序的竖立密集，形成单分子膜。
，
若将兰格缪尔等温吸附式中的吸附量赋予吉布斯吸附量的特定意义，则可从其变形式求出设分子吸附层厚δ，δ即两亲分子长。
依δ*ρ=*M,由此得出求分子的式子
（2）。
3、δ的测定方法有环法、滴重法、毛细管上升法等，其中最大气泡法设备简单，易操作，应用广。
此法是将下口齐平的毛细管垂直插入试液，并使管口刚与液面相切，则可看到在毛细管内形成凹液面。
凹液面受力一是大气压，二是附加压力，因此凹液面受到的总压是p1=p0+△p=p0+2σ/r.
现对管外减压，随管外压力p2=p0+ρg△h减小，|△h|增大，|r|减小，p1随p2同步减小，故p2=p1，得：
σ=rgρ△h/2
由于减压凹液面不断下降，r为不定值，但当凹液面上形成的小气泡降至毛细管下口，并随时气流的瞬间，|r|降至极小，刚等于毛细管下口内径，此时△h升至最大。
若在微微减压。
气泡逸出，△h剧降，r为定值，所以只要测出最大的|△h|，即可用上式求出σ。
由于r一定。
故rgρ/2为定值，称仪器常数K，可用纯水的σ和同条件下实验测得的△h求出。
故：
σ=K*△h=σ0*△h/△h0
溶液浓度c用折射仪测出。
三、仪器药品
仪器：
蓄水瓶，毛细管，试管，烧杯，U型水柱压力计，温度计，分液漏斗表面张力仪一套
药品：
乙醇溶液：
5%，10%，20%，30%，40%，50%
四、实验步骤
1、按下图安装好实验仪器，检查仪器是否漏气，检查方法如下：
由分液往蓄水瓶中注水，是压力计产生一定的压力差，停止加水，如果压力计维持3~5分钟不变，可认为不漏气。
2、仔细用热的铬酸洗液洗涤毛细管。
3、毛细管常数的测定：
在清洁的试管中加入约1/4体积的蒸馏水，装上清洁的毛细管，是端面恰好与液面相接，打开分液漏斗，使水缓缓滴出，以增加毛细管内压力，使气泡冒出，观察冒出的速度与压力的关系，调节气泡逸出速度不超过每分钟20个，如此三次，若每次得△h，差别在2mm以内，取平均值，求K。
否则重复步骤2，然后再测。
4、乙醇溶液表面张力的测定：
将试管中的水倒出，用待测溶液洗涤试管和沾洗毛细管（尖端沾取待测液，然后用耳洗球吹掉内溶液）3次，在试管中装入待测溶液，用上述方法快速测定浓度为5%,10%,20%,30%,40%,50%的乙醇溶液压力差△h，都测三次取平均值。
五、实验数据及处理
１、不同浓度的乙醇溶液的压力差
乙醇溶液
次数
h高
h低
Δhn
Δh
0%
1
18.40
12.10
6.30
6.18
2
18.35
12.20
6.15
3
18.30
12.20
6.18
5%
1
18.26
13.06
5.20
5.12
2
18.24
13.14
5.10
3
18.20
13.08
5.12
10%
1
18.00
13.50
4.50
4.49
2
17.90
13.50
4.40
3
18.10
13.60
4.50
20%
1
17.50
13.55
3.95
3.98
2
17.45
13.45
4.00
3
17.40
13.60
3.80
30%
1
17.20
13.80
3.40
3.33
2
17.10
13.70
3.40
3
16.90
13.50
3.30
40%
1
16.70
14.00
2.70
2.73
2
16.60
13.80
2.80
3
16.50
13.80
2.70
50%
1
16.70
14.30
2.40
2.40
2
16.60
14.20
2.40
3
16.50
14.10
2.40
２、将实验记录的数据用表格列出
体积分数
浓度ｃ
（mol/L）
Δh
（cm）
σ
×10-3（N/m）
Г（mol/m2）
×10-6
ｃ／Г
（N.m/mol）×106
５％
0.8576
5.12
60.52
5.1846
0.1654
10％
1.7152
4.49
53.07
6.1554
0.2786
20％
3.4304
3.98
47.04
4.9822
0.6885
30％
5.1457
3.33
39.36
9.5177
0.5406
40％
6.8609
2.73
32.27
11.7161
0.5856
50％
8.7561
2.40
28.37
7.4437
1.1763
3、不同百分比下的乙醇溶液的浓度
当T=18℃时ρ乙醇=0.7902Kg/m3M乙醇=46.07
则c乙醇=1000ρ乙醇*ω/M乙醇=17.1522ω
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.05=0.8576mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.10=1.7152mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.20=3.4304mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.30=5.1457mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.40=6.8609mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.50=8.7561mol/L
4、利用水的表面张力求毛细管常数ｋ
由表１知蒸馏水：
△h=6.18cm查表得：
σ水=73.078×10-3N/m
所以：
=
×10-3=1.182N/m2
5、计算各浓度乙醇溶液的表面张力。
计算举例：
5%的乙醇溶液
5%σ1=K×△h1=1.182×0.0512=60.52×10-3N/m
10%σ2=K×△h2=1.182×0.0449=53.07×10-3N/m
20%σ3=K×△h3=1.182×0.0398=47.04×10-3N/m
30%σ4=K×△h4=1.182×0.0333=39.36×10-3N/m
40%σ5=K×△h5=1.182×0.0273=32.27×10-3N/m
50%σ6=K×△h6=1.182×0.0240=28.37×10-3N/m
6、作σ-c图。
由σ-c图可以指定浓度的斜率
T及Г
求指定浓度的斜率
T
当c乙醇=0.8576mol/L
T=
=-14.5989*10-3
当c乙醇=1.7152mol/L
T=
=-8.6870*10-3
当c乙醇=3.4304mol/L
T=
=-3.5156*10-3
当c乙醇=5.1457mol/L
T=
-4.4773*10-3
当c乙醇=6.8609mol/L
T=
=-4.1336*10-3
当c乙醇=8.7561mol/L
T=
=-2.0578*10-3
7、根据指定浓度的斜率
T求Г及c/Г
由吉布斯等温吸附式Γ=﹣
T可求出Г
当c乙醇=0.8576mol/L
Г1=-
*（-14.5989*10-3）=5.1846*10-6
c/Г=
0.8576/（5.1846*10-6）=0.1654*106
当c乙醇=1.7152mol/L
Г2=-
*（-8.6870*10-3）=6.1554*10-6
c/Г=
1.7152/（6.1554*10-6）=0.2786*106
当c乙醇=3.4304mol/L
Г3=-
*（-3.5156*10-3）=4.9822*10-6
c/Г=
3.4304/（4.9822*10-6）=0.6885*106
当c乙醇=5.1457mol/L
Г4=-
*（-4.4773*10-3）=9.5177*10-6
c/Г=
5.1457/（9.5177*10-6）=0.5406*106
当c乙醇=6.8609mol/L
Г5=-
*（-4.1336*10-3）=11.7161*10-6
c/Г=
6.8609/（11.7161*10-6）=0.5856*106
当c乙醇=8.7561mol/L
Г6=-
*（-2.0578*10-3）=7.4437*10-6
c/Г=
8.7561/（7.4437*10-6）=1.1763*106
8、作c/Г-c图，求Г∞
由图可看出直线的斜率tgβ=0.1028*106
由公式
=（tgβ）-1可得出
则
=（tgβ）-1=（0.1028*106）-1=
*10-6
=9.7276*10-6mol/m2
六、思考题
1、为什么液体的表面张力随温度升高而减小？
答：
同一种物质的表面张力因温度不同而异，当温度升高时物质的体积膨胀，分子间的距离增加，分子之间的相互作用减弱，所以表面张力一般随温度的升高而减小。
2、仪器的清洁与否对所测数据有无影响？
答：
有影响。
毛细管如果不清洁会影响气泡逸出的速度。
七、误差分析
1、实验装置气密性不好，影响压差计的读数。
2、毛细管没有用热的铬酸洗涤干净，这是实验的关键。
3、没有调节好气泡逸出的速度，气泡逸出速度太快每分钟超过30个，气泡逸出速度不均匀。
4、一次测量后没有用待测液洗试管和沾洗毛细管。
5、实验温度，溶液浓度对实验结果的影响。
八、心得体会
本实验是第一次没有老师讲解，自己和同组同学独立完成的物理化学实验，也是最后一次物理化学实验。
通过一年的物理化学实验，了解了许多的物理化学原理、想象，懂得了物理化学实验的基本操作和应注意的问题，实验时科学严谨的态度，更重要的是学会了用计算机处理实验结果。
这些将会对我经后的学习和工作有很大的帮助。
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