测定正丁醇溶液中的吸附作用和表面张力.docx

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测定正丁醇溶液中的吸附作用和表面张力

测定正丁醇溶液中的吸附作用和表面张力

——最大气泡压力法

PB10。

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中国科学技术大学材料科学系

摘要：

本实验利用最大气泡压力法测定了液体表面张力，即测定气体从毛细管口逸出时的气压，此时气压的作用力略大于毛细管口溶液的表面张力；并通过对不同浓度下表面活性物质正丙醇溶液的表面张力和浓度之间的关系，求得溶液界面上的吸附量和单个正丁醇分子的截面积。

关键词：

吸附作用表面张力最大气泡压力法表面活性物质

序言：

液体表面的分子和内部的分子所处的环境不同，因此能量也不同。

根据能量最低原理，溶质能降低溶液的表面张力时，表面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，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。

表面张力就是内部分子对表面分子的作用力，它是液体的重要属性之一，与所处的温度、压力、液体的组成共存的另一面的组成等因素都有关。

对于溶液，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。

　　本实验采用最大气泡法法测定液体不同浓度条件下的表面张力，由此计算溶液的表面自由能、最大吸附量、表面活性物质正丁醇的横截面积，并验证了表面化学的相关基础理论。

实验部分：

一、实验设计

1.在指定温度和压力下，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：

在已知σ与c关系式和c、T值后可以求得吸附量Г。

2.在一定温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温式表示：

为饱和吸附量，K为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。

将上式转化为直线方程，有：

若以

～c做图可得一条直线，由直线斜率可得

。

在饱和吸附的情况下，正丁醇分子在气－液界面上铺满一层单分子层，则可用下式来求正丁醇分子的横截面积：

3.最大气压法测微压差：

当表面张力仪中的毛细管截面与欲测液面相齐时，液面沿毛细管上升。

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，这时毛细管内的液面上受到一个比恒温试管中液面上稍大的压力，因此毛细管内的液面缓慢下降。

当此压力差在毛细管端面上产生的作用里稍大于毛细管口溶液的表面张力时，气泡就从毛细管口逸出。

这个最大压力差可以从微压差测量仪上读出。

如毛细管的半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总作用力为πr2P最大而

P最大＝P系统－P大气压＝∆hρg

若用同一支毛细管和同个压力计，在同一个温度下，对两种溶液而言，则得

因此，可以求得不同浓度的σ值，并作出σ-c曲线，拟合得两者关系式，转而解决了1.中的问题。

二、实验仪器及试剂

CS501型超级恒温水浴（重庆试验设备厂）;DMP-2B型数字式微压差测量仪（南京大学应用物理研究所）;恒温套管;水泵;毛细管（半径为0.15—0.2mm），浸泡于铬酸洗液中;100ml容量瓶（7只）;2ml移液管（1支）;正丁醇溶液（分析纯）。

三、实验步骤

1、毛细管常数的测定：

按实验装置图装好仪器，打开恒温水浴，使其温度稳定于30℃。

取一支浸泡在洗液中的毛细管依次次用自来水、蒸馏水反复清洗若干次，同样把玻璃套管也清洗干净，加上蒸馏水，插上毛细管，用套管下端的开关调节液面恰好与毛细管端面相切，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。

然后调节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，细心调节出泡速度，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。

根据手册查出25℃时水的表面张力为＝71.97×10-3N·m-1，以/h=K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。

本实验装置图

2、不同浓度的正丁醇溶液表面张力的测定：

　　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。

结果讨论：

一、实验结果

1）毛细管常数K=0.0981m。

2）表面张力σ与溶液浓度c的关系：

σ=411.44c²-215.04c+71.803

3）极限吸附量Г=5.37*10-6mol/m2。

4）正丁醇分子的横截面积S0=0.309（nm2）

而文献值各种直链醇的分子截面积为0.274～0.289nm2，而本实验中测得为0.309nm2，实验结果较接近，偏大。

[σ~c图、Г~c图、c/Г~c图详见后文数据处理]

二、误差分析：

本次试验测得的正丁醇分子的横截面积比理论值偏大；Г-c、c/Г-c图与理论曲线大体吻合。

本实验的误差来源主要有：

（一）表面张力测量误差：

1）由于毛细管管径很小，当正丁醇浓度增大时，体系粘度变大，管壁上容易吸附正丁醇分子，使得气泡冒出很不规则，造成数据波动很大；

2）实验要求毛细管底部与液面正好相切，并且毛细管完全垂直，但由于人眼分辨的差异等影响，这很难做到；且每次测量过程的相切情况各不相同。

3）毛细管的粗细及磨损程度会对结果造成影响；毛细管太粗则误差较大，过细则易阻塞，气泡难以逸出；

4）出泡速度会影响△P值的读数，而出泡速度并不能精确控制使得每次的速度相同；而且在测量过程中偶尔出现气泡很难逸出的情况，造成压强测量值偏大；

5）其它系统误差，如在每次改变测量溶液浓度之后，应该用待测溶液反复清洗毛细管和恒温套管，在实际操作中残留是不可避免的，这样使测量溶液的表面张力与实际溶液的浓度不一致，导致实验误差；恒温槽温度的小幅变动；装置气密性不好，有些许漏气会使测定最大压力差值偏小。

（二）数据处理带来的误差

1）在数据处理的过程中已经舍去了一些不好的点，因而结果带有一定的主观性。

2）实验中使用了浓度而不是活度。

只有在稀溶液情况下，浓度才近似等于活度；导致计算的正丁醇分子截面积偏差较大。

这一点从Г-c图上明显可以看出，在浓度变大后曲线有明显的下降，与理论曲线存在较大的出入；

2）σ~c曲线拟合形式（即选择的多项式级次）的不同会造成Γ~c图及c/Г~c图与理论情况的偏差。

三、小结

　1）本实验采用最大气泡法测定液体不同浓度条件下的表面张力，由此计算溶液的表面自由能、最大吸附量、表面活性物质正丁醇的横截面积，并验证了表面化学的相关基础理论。

2）实验操作步骤简单，但造成误差的因素较多，操作时要格外仔细：

测定用的毛细管一定要先洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地通过，而使压力计的读数不稳定；毛细管要尽量垂直，管口要和液面刚好接触，否则测得的数据将不只是液体表面的张力，还有插入部分液体的压力；表面张力和温度有关，因此要等溶液恒温后再测量；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。

参考资料：

1.《物理化学》（南京大学物理化学教研室傅献彩沈文霞姚天扬编）

2.物理化学实验电子版讲义（中国科学技术大学刘光明）

Abstract:

Thisexperimentutilizedthebiggestbubblepressuremethod,whichmeansmeasuretheairpressurewhenbubbleisdefusingfromcapillarytube,thatmomentforceofairabitmorethanthesurfacetension,tomeasuresurfacetension.Than,onbasisofthelinkingbetweenthesurfacetensionofnormalbutanolliquidofdifferentconcentration,calculatetheamountofabsorptiononthesurfaceandthesectionsurfaceofonebutanolmolecule.

Keywords：

absorptioneffect;surfacetension;thebiggestbubblepressuremethod;surfaceactivesubstance

附录：

实验数据处理

1.原始数据：

大气压：

101.18Kpa

恒温槽温度：

30.00℃

正丁醇的分子量M=74.21g/mol

密度ρ=0.8098g/ml

30.00℃时，水的表面张力σ=71.18*10-3N*m-1

实验中分别用不同体积的正丁醇配制成Vo=100ml的溶液，溶液的浓度为C=ρV/（MVo）；

数据记录表如下：

正丁醇用量ml

0.00

0.40

0.80

1.20

1.60

2.00

2.40

2.80

溶液浓度C/mol*l-1

0.00

0.0437

0.0874

0.1311

0.1748

0.2185

0.2622

0．3059

△P1/mpa

725.5

646.8

593.0

502.0

474.9

451.7

446.6

530.5

△P2/mpa

725.1

646.5

591.8

502.7

472.1

447.9

451.5

528.4

△P3/mpa

724.9

644.5

589.8

503.4

472.0

447.1

451.0

530.2

△P4/mpa

725.3

647.5

590.3

501.9

472.5

450.7

452.2

529.3

△P5/mpa

725.2

644.0

591.1

502.7

473.6

446.6

453.0

531.6

△P6/mpa

724.8

646.8

590.7

501.7

471.9

451.5

449.3

530.0

平均△P/mpa

725.1

646.0

591.1

502.0

472.4

449.2

450.6

530.0

正丁醇液σ/10-3N*m-1

71.18

63.41

58.02

49.47

46.37

44.10

44.23

52.02

已知25℃水的表面张力为σ=71.18*10-3N/m

有上述数据可以得知，纯水的△pH20=725.1mPa

毛细管常数K‘=σ/△pH20=71.18*10-3/725.1*10-3=0.0981m

由公式σi=K‘△pi可以得到不同浓度时正丁醇溶液的表面张力（已填入上表，见最后一栏）

2.数据处理和分析（Excel处理）

1）σ-c曲线

根据理论，σ随c变化应该是递减趋势，在实验过程中发现随着浓度的增大，毛细管下端冒泡越来越难控制，结果的准确性也不如浓度小的情况，故舍去最后一点，重新作图，并作多项式拟合，如下：

可以看出来修正后的相关性更好。

拟合得σ与C的关系式为：

σ=411.44c²-215.04c+71.803

2﹚对σ=411.44c²-215.04c+71.803求导后，得

=822.28c-215.04单位：

10-3N*mol-1*m2

在光滑曲线上选取6个不同浓度点，带入上述微分方程，得到6个不同浓度下的切线斜率

。

由

，可以得到不同浓度溶液的吸附量Γ的值，并计算c/Γ的值，作Γ-c和

-c曲线。

T=30.00+273.15=303.15K

浓度mol/l

0.02

0.04

0.08

0.12

0.16

0.20

/N*mol-1*m2

-0.198

-0.182

-0.149

-0.116

-0.083

-0.051

/10-6mol*m-2

1.571

2.889

4.726

5.523

5.269

4.047

/106m-1

12.72

13.84

16.93

21.73

30.36

49.42

1　Γ-c曲线

2　

-c曲线

3）根据图4的拟合结果，直线斜率为k=1.86*105mol-1*m2

∵

∴Γ∞=1/k=5.37*10-6mol/m2

∴正丁醇分子的横截面积为：

=1.86*105/6.02*1023

=0.309（nm2）=30.9A2

而文献值各种直链醇的分子截面积为0.274～0.289nm2，而本实验中测得为0.309nm2，实验结果较接近，偏大。

3.误差分析和结论

跟据实验图像及计算所得结果可知，本实验的误差较大且不易消除；为保证实验结果的精确度仪器必须洗涤清洁，毛细管应保垂直，其端部应保持平整，溶液恒温后，体积略有改变，应注意毛细管平面与液面接触处要相切。

控制好出泡速度、平稳地重复出现压力差。

（详见实验部分）