1、華南師范大學實驗報告學生姓名 黎昕 學 號 20152401114 專 業 化學（師范） 年級、班級 2015級化師(4)班 課程名稱 物理化學實驗 實驗類型 驗證 設計 綜合實驗時間 2018年3月29日實驗指導老師 林曉明老師 小組成員 黎昕 20152401114 朱海燕20152401110 最大泡壓法測定溶液的表面張力一、實驗目的1）掌握最大泡壓法測定表面張力的原理，了解影響表面張力測定的因素。2）了解彎曲液面下產生附加壓力的本質，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等溫式，了解蘭格繆爾單分子層吸附公式的應用。3）測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計算飽和吸附量, 由表面張力的實驗數據求正丁

2、醇分子的截面積及吸附層的厚度。二、實驗原理1、表面張力的產生：在液體的內部任何分子周圍的吸引力是平衡的。但在液體表面層的分子卻不相同。在液體表面層中，每個分子都受到垂直于液面并指向液體內部的不平衡力。這種吸引力有使表面積最小的趨勢，要使液體表面積增大就必須要反抗分子的內向力而作功以增加分子位能。所以分子在表面層比在液體內部有較大的位能，這位能就是表面自由能。*表面能與表面張力通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的變化值G稱為單位表面的表面能，其單位為Jm-2。而把液體限制其表面增大以及力圖使它收縮的單位直線長度上所作用的力，稱為表面張力，其單位是N m-1。液體

3、單位表面的表面能和它的表面張力在數值上是相等的。*表面張力的方向與影響因素u 在任何兩相界面處都存在表面張力。表面張力的方向是與界面相切，垂直作用于某一邊界，方向指向使表面積縮小的一側。u 液體的表面張力與溫度有關，溫度愈高，表面張力愈小。到達臨界溫度時，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。u 液體的表面張力與液體的純度有關。在純凈的液體（溶劑）中如果摻進雜質（溶質），表面張力就要發生變化，其變化的大小決定于溶質的本性和加入量的多少。u 由于表面張力的存在，產生很多特殊界面現象。2、彎曲液面下的附加壓力由于表面張力的作用，彎曲表面下的液體或氣體與在平面下情況不同，前者受到附加的壓力。 如果液面是

4、水平的，則表面張力也是水平的，平衡時，沿周界的表面張力互相抵消，此時液體表面內外壓力相等，且等于表面上的外壓力Po。 若液面是彎曲的，平衡時表面張力將產生一合力Ps，而使彎曲液面下的液體所受實際壓力與Po不同。 當液面為凸形時，合力指向液體內部，液面下的液體受到的實際壓力為p=p0+ps 當液面為凹形時，合力指向液體外部，液面下的液體受到的實際壓力為p=p0-ps 這一合力PS，即為彎曲表面受到的附加壓力，附加壓力的方向總是指向曲率中心。附加壓力與表面張力的關系用拉普拉斯方程表示：ps=2/R，式中為表面張力，R為彎曲表面的曲率半徑，該公式是拉普拉斯方程的特殊式，適用于當彎曲表面剛好為半球形的

5、情況。3、毛細現象毛細現象則是彎曲液面下具有附加壓力的直接結果。假設溶液在毛細管表面完全潤濕，且液面為半球形，則由拉普拉斯方程以及毛細管中升高（或降低）的液柱高度所產生的壓力 DP = r g h，通過測量液柱高度即可求出液體的表面張力。這就是毛細管上升法測定溶液表面張力的原理。此方法要求管壁能被液體完全潤濕，且液面呈半球形。4、最大泡壓法測定溶液的表面張力實際上，最大泡壓法測定溶液的表面張力是毛細管上升法的一個逆過程。將待測表面張力的液體裝于表面張力儀中，使毛細管的端面與液面相切，由于毛細現象液面即沿毛細管上升，打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣，系統減壓，毛細管內液面上受到一個比表面張力儀瓶中液面上

6、（即系統）大的壓力，當此壓力差附加壓力(p p大氣 p系統)在毛細管端面上產生的作用力稍大于毛細管口液體的表面張力時，氣泡就從毛細管口脫出，此附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑成反比，其關系式為拉普拉斯公式：ps=2/R。如果毛細管半徑很小，則形成的氣泡基本上是球形的。當氣泡開始形成時，表面幾乎是平的，這時曲率半徑最大；隨著氣泡的形成，曲率半徑逐漸變小，直到形成半球形，這時曲率半徑R和毛細管半徑r相等，曲率半徑達最小值，根據上式這時附加壓力達最大值。氣泡進一步長大，R變大，附加壓力則變小，直到氣泡逸出。根據上式，R r時的最大附加壓力為：對于同一套表面張力儀，毛細管半徑r，測壓液體密度

7、、重力加速度都為定值，因此為了數據處理方便，將上述因子放在一起，用儀器常數K來表示，上式簡化為：式中的儀器常數K可用已知表面張力的標準物質測得，通常用純水來標定。5、溶液中的表面吸附-吸附現象的發生 在定溫下純液體的表面張力為定值，只能依靠縮小表面積來降低自身的能量。而對于溶液，既可以改變其表面張力，也可以減小其面積來降低溶液表面的能量。通常以降低溶液表面張力的方法來降低溶液表面的能量。 當加入某種溶質形成溶液時，表面張力發生變化，其變化的大小決定于溶質的性質和加入量的多少。 根據能量最低原理，溶質能降低溶劑的表面張力時，表面層中溶質的濃度比溶液內部大；反之，溶質使溶劑的表面張力升高時，它在表

8、面層中的濃度比在內部的濃度低，這種表面濃度與內部濃度不同的現象叫做溶液的表面吸附。溶液中的表面吸附-吉布斯吸附方程：在指定的溫度和壓力下，溶質的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度之間的關系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程： 。式中，為溶質在表層的吸附量；為表面張力；C為吸附達到平衡時溶質在溶液中的濃度。溶液中的表面吸附-吸附量的計算當界面上被吸附分子的濃度增大時，它的排列方式在改變著，最后，當濃度足夠大時，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層。這樣的吸附層是單分子層，隨著表面活性物質的分子在界面上愈益緊密排列，則此界面的表面張力也就逐漸減小。以表面張力對濃度作圖，可得到-C曲線。開始

9、時隨濃度增加而迅速下降，以后的變化比較緩慢。在-C曲線上任選一點a作切線，得到在該濃度點的斜率值，代入吉布斯吸附等溫式，得到該濃度時的表面超量（吸附量），同理，可以得到其他濃度下對應的表面吸附量，以不同的濃度對其相應的可作出曲線， f（C)稱為吸附等溫線。溶液中的表面吸附-被吸附分子截面積計算飽和吸附量：對于正丁醇的吸附等溫線，滿足隨濃度增加，吸附量開始顯著增加，到一定濃度時，吸附量達到飽和，因此可以從吸附等溫線得到正丁醇的飽和吸附量。也可以假定正丁醇在水溶液表面滿足單分子層吸附。根據朗格謬爾(Langmuir)公式： 。為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時的， 。以C/對C作圖，得一直

10、線，該直線的斜率為1/。被吸附分子的截面積：So = 1 / (N) ( N為阿佛加得羅常數)。吸附層厚度： ，溶質的密度，分子量M。三、儀器與試劑 最大泡壓法表面張力儀1套；吸耳球1個；移液管(50mL，1支、1mL，1支)；燒杯(500mL，1只)；溫度計1支。正丁醇(AR)；蒸餾水。四、實驗步驟1) 儀器準備與檢漏將表面張力儀容器和毛細管洗凈、烘干。在恒溫條件下將一定量蒸餾水注入表面張力儀中，調節液面，使毛細管口恰好與液面相切。打開抽氣瓶活塞，使體系內的壓力降低，當U型管測壓計兩端液面出現一定高度差時，關閉抽氣瓶活塞，若23min內，壓差計的壓差不變，則說明體系不漏氣，可以進行實驗。2）

11、儀器常數的測量打開抽氣瓶活塞，調節抽氣速度，使氣泡由毛細管尖端成單泡逸出，且每個氣泡形成的時間約為5 10 s。當氣泡剛脫離管端的一瞬間，壓差計顯示最大壓差時，記錄最大壓力差，連續讀取三次，取其平均值。再由手冊中，查出實驗溫度時，水的表面張力，則儀器常數 。3）表面張力隨溶液濃度變化的測定 用移液管分別移取0.0500mL，0.150 mL，0.300 mL，0.600 mL，0.900 mL，1.50 mL，2.50 mL，3.50 mL，4.50 mL 正丁醇，移入9個50mL的容量瓶，配制成一定濃度的正丁醇溶液。然后由稀到濃依次移取一定量的正丁醇溶液，按照步驟2所述，置于表面張力儀中測定

12、某濃度下正丁醇溶液的表面張力。隨著正丁醇濃度的增加，測得的表面張力幾乎不再隨濃度發生變化。五、數據處理1）計算儀器常數K和不同濃度正丁醇溶液的表面張力，繪制 - C等溫線。用純水標定法測儀器常數：次數高處讀數/h1低處讀數/h2最大壓差/h最大110.16 2.80 7.36 210.20 2.81 7.39 310.17 2.77 7.40 平均7.38 由公式 得K=9.727求出配制的9種正丁醇溶液的濃度如下表，并將測得的壓力值填入下表：正丁醇濃度/molmL-110.932.865.6131.1196.7327.8546.3764.8983.3正丁醇濃度/molL-10.01090.0

13、3280.06560.13110.19670.32780.54630.76480.9833高處讀數/h110.029.759.559.108.908.558.207.907.80低處讀數/h13.273.353.383.884.064.454.755.055.10最大壓差/h16.756.406.175.224.844.103.452.852.70高處讀數/h210.029.809.559.108.928.558.207.957.81低處讀數/h23.283.303.373.844.054.404.755.055.08最大壓差/h26.746.506.185.264.874.153.452.9

14、02.73高處讀數/h310.009.809.559.108.988.558.207.927.81低處讀數/h33.273.403.393.854.054.404.805.035.10最大壓差/h36.736.406.165.254.934.153.402.892.71平均/h6.746.436.175.244.884.133.432.882.71/kNm-165.56062.57760.01651.00247.46840.20533.39628.01426.393以對c作圖如下：2）根據吉布斯吸附等溫式 ，求出，C/。從-c等溫線中求得各點切線斜率(d/dc)T,并求出和c/填入下表。正丁醇

15、濃度/molL-10.01090.03280.06560.13110.19670.32780.54630.76480.9833(d/dc)T-144.465-132.282-115.682-88.018-66.868-40.556-26.607-20.34512.492表面超量(x10-1mol/m2)6.334417.454030.527346.418752.910353.478558.471262.5926-49.4110c/(x10m-1)1.721.882.152.823.726.139.3412.22-19.903）繪制-C，C/-C等溫線，求飽和吸附量，并計算正丁醇分子截面積So和

16、吸附單分子層厚度。-C等溫線C/-C等溫線因為c/-c理論為線性關系，故將第9組數據舍棄。得到線性函數c/=14.423c+1.255，=1/14.423=0.0693mol/m2S0=1/(NA)=14.423m2mol-1/(6.02x1023)=2.396x10-23m2d=M/=74.12gmol-1/(144230cm2mol-1x0.8098gcm-3)=6.346x10-4cm六、實驗評注與拓展1.本實驗成功的關鍵：儀器系統不能漏氣；所用毛細管必須干凈、干燥，應保持垂直，其管口剛好與液面相切；讀取壓差計的壓差時，應取氣泡單個逸出時的最大壓力差；氣泡逸出速度不能過快。2.測定表面張

17、力有很多種方法，如前述毛細管上升法，最大氣泡法，還有滴重法、吊環法等。最大氣泡法雖然具有裝置簡單、操作容易、測定迅速等優點，但其最大缺點是測量精度不夠理想，是一個動態的測定方法。不過，最大氣泡法已被成功應用于一些粘度較大的液體、熔鹽等體系的表面張力的測定。這是其它方法不能代替的。七、提問與思考1）毛細管尖端為何必須調節得恰與液面相切？否則對實驗有何影響？答：如果毛細管末端未觸及液面，則不會有氣泡形成；如果毛細管末端插入到溶液內部，毛細管內會有一段水柱，產生壓力P，則測定管中的壓力Pr會變小，pmax會變大，測量結果偏大。而且毛細管插入到溶液內部時測得的是溶液內部的張力，也就不再是表面張力了。2

18、）最大氣泡法測定表面張力時為什么要讀最大壓力差？如果氣泡逸出的很快，或幾個氣泡一齊出，對實驗結果有無影響？答：因為當毛細管液面上受到的壓力稍大于毛細管口氣泡的附加壓力時，氣泡就會從毛細管口逸出，此附加力（P=P-P系統）與表面張力成正比，所以要讀最大壓力差。如果氣泡逸出過快，就會造成還沒來得及讀數壓差計就跳動了的情況，妨礙讀數。3）本實驗選用的毛細管尖的半徑大小對實驗測定有何影響？若毛細管不清潔會不會影響測定結果？答：毛細管過細會導致液體上升得更高，則系統需要的真空度更高，測量不便；毛細管過粗時R=，附加壓力為零，無法測量。若毛細管不清潔，其內部的表面活性雜質會使測得的P偏小，從而使表面張力值偏?。蝗魹榉腔钚噪s質則P和表面張力值都偏大。4）溫