实验二十一 溶液表面张力的测定 - 最大气泡压力法 - 图文

实验二十一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。

三、实验原理

L

用本法测定[乙醇，水]溶液的数据对[?,c]，作图将C一?曲线

(??)T?c在不同浓度的斜率代入吉布斯等温吸附式:

???c??()TRT?c

求出相应的吉布斯吸附量?c 按Lanbmuir等温吸附变形公式:

c1c????????

以c/??c直线斜率tg?求出饱和吸附量??，进而得出乙醇分子横截面积S和分子长度?，结合直线截距得出吸附系数?:

???(tg?)?1

以上各式中，c为浓度;T为绝对温度(K);?为表面张力(N/m ) ; ?为吉布斯吸附量(mol/m2 ) ; M为溶质摩尔质量;?为溶质密度(kg/m3 ) ; S为分子截面积(m(/分子);?为分子长(m);?为吸附(平衡)常数;NA为阿氏常数(6. 002 x 1023Mol-1);R为气体常数(8. 314J/mol·K)。

为了求以上参数，关键是测?。

2.表面张力即界面张力，矢量。源于凝聚相界面分子受力不平衡，意为相界面的单位长度收缩力。。也是在各对应条件下凝聚系表面相的热力学强度性质，如恒温、恒压下扩大单位表面积所需的可逆功，故亦称比表面自由烩，SI单位[J/m2 }。

?与凝聚相和表面共存接触相种类有关(如无说明，通常指定被凝聚相饱和了的空气为共存接触相)，还与T, p有关，与凝聚相纯度和杂质种类有关。浓度升高，溶液的?有增有减，随溶质、溶剂而异，表面活性剂分子是两亲分子，它们的水溶液?随浓度升高先剧降，后微升，再渐趋恒定。?随c而变的本质是溶液表面相浓度对体相浓 度的偏离，此现象称为表面吸附。表面吸附量r与浓度有关，用吉布

??)T?c斯等温吸附式(1)求出，为?一c曲线在指定浓度的斜率。

((??)T?c<0,?>0为正吸附，表面浓度较体浓度为高，达饱和吸附时，?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?, ?即两亲分子长。依?p????M，由此得出求分子?的式子(2)。

3.?的测定方法有最大气泡法、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人试液，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P0，一是附加压力?P?P'?P0?2?/r, r是凹液面半径，r<0，故?P < 0，表示?P指向背液面，即低于平液面所受外压，因此凹液面受到的总压是P1?P0??P?P0?2?/r。 现对管外减压，随管外压力P2?P0?g??h减小(负压，?h取负;g重力加速度，?压力计内液柱密度)，|?h|增大，|r|减小，P1随P2同步减小，故P2 = P1，得:

??rg??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，并随气流离开的瞬间，|r|降至极小，刚等于毛细管下口内径，此时|?h|升至最大。若再微微减压，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。(式

中的r、?h皆可取正)。由于r一定，故r?g??/2为定值，称仪 器常数K，可用纯水的?和同条件下实测的?h求出。故:

??K??h??0??h/?h0

溶液浓度c用折射仪测出。

四、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1套。

药品:乙醇溶液:5%，10%，20%，30% , 40%，50% 。

五、实验步骤 1.按图

28安装好实验仪器，检查仪器是否漏气，检查方法如下:

由分液漏斗往蓄水瓶中加水，使压力计产生一定的压力差，停止加水

如压力差维持3一5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，这是本实验关键。

3.毛细管常数的测定

在清洁的试管中加人约1/4体积的蒸馏水，装上清洁的毛细管，使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，观察气泡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个时，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，用待测溶液洗试管和沾洗毛细管(尖端沾取待测液，然后用洗耳球吹掉内溶液)3次，在试管中装人待测溶液，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3次取其平均值。

六、数据处理和结果

1.将实验所记录的数据用表格列出

蒸馏水 5% 乙醇溶液 10%乙醇溶液 20%乙醇溶液 30%乙醇溶液 40%乙醇溶液 50%乙醇溶液 右 左 右 左 右 左 右 左 右 左 右 左 右 左 H左 (cm) H右 (cm) 第一组 20.60 13.10 19.90 13.80 19.49 14.12 19.09 14.71 18.82 14.99 18.41 15.14 18.35 15.45 第二组 20.55 13.13 19.93 13.76 19.51 14.17 19.05 14.76 18.70 14.91 18.35 15.20 18.40 15.43 第三组 20.60 13.10 19.96 13.78 19.50 14.15 19.10 14.71 18.65 14.93 18.35 15.22 18.35 15.40 平均值 20.58 13.11 19.93 13.78 19.50 14.15 19.08 14.73 18.72 14.94 18.37 15.19 18.37 15.43 C/?×105 (N·m/m2) 3.255 浓度C (mol/L) ?h (cm) ? (N·m) ?×10-6 (mol/m2) 0.8601 1.7202 3.4405 5.1607 6.8810 8.6012 13.78 14.15 14.73 14.94 15.19 15.43 19.93 19.50 19.08 18.72 18.37 18.37 6.15 5.35 4.35 3.78 3.18 2.94 0.0601 0.0523 0.0425 0.0370 0.0311 0.0288 2.643 4.795 7.627 8.496 7.403 4.347 3.588 4.511 6.074 9.295 19.79 2.利用水的表面张力求毛细管常数k。

根据上表中的数据?h=7.47cm，查表可知：?水=73.078×10-3N/m, k=?水/?h=73.078×10-3/0.0747=0.978N/m2

3.计算各浓度乙醇溶液的表面张力，计算时，注意各量的单位。

5%的乙醇溶液：?=k ×?h=0.978×0.0615=0.0601N/m 同理，10%的乙醇溶液?=0.0523N/m（其余?值见表中）

??)T??c 4.作一c图利用镜面象法得出不同浓度的斜率并计算出各

(浓度下的P值。

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