1、大學化學實驗II實驗報告物理化學實驗學院：化學和化工學院專業：班級:姓名實驗日期實驗時間學號指導教師實驗項目表面張力的測定名稱1.掌握最大泡壓法測定液體表面的方法，了解表面張力測定的因素。實驗目的2.測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力，計算吸附量，并由表面張力的實驗數據求分子的表面積。表面張力是液體的重要性質之一，它是因表面層分子受力不均衡所引起的。如液體和其蒸氣構成的系統：液體內部的分子和周圍分子間的作用力是球形對稱的，可以彼此抵消，合力為零，而表面層分子處于力場不對稱的環境中，液體內部分子對它的作用力遠大于液面上蒸氣分子對它的作用力，從而使它受到指向液體內部的拉力作用，故液體都有自動縮小表面

2、積的趨勢。從熱力學觀點來看，液體表面縮小是使系統總吉布斯函數減小的一個自發過程，如欲使液體產生新的表面 A,就需對其做功，其大小應和 A成正比： G =W =Y A(1)一 、 一 2比例系數 丫 從能量的角度被稱為比表面吉布斯函數，即為怛溫怛壓卜形成1m新表面所需的可逆功，其單位為J?m2。從物理學力的角度看，丫可被理解為沿著表面、和表面相切、垂直作用于單位長度相界面線段上的表面緊縮力，即表面張力，其單位是N?m。在定溫下純液體的表面張力為定值，當加入溶質形成溶液時，表面實驗原理張力發生變化，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

3、質的濃度比溶液內部大；反之，溶質使溶劑的表面張力升咼時，它在表面層中的濃度比在內部的濃度低，這種表面濃度和內部濃度不冋的現象叫做溶液的表面吸附。在指定的溫度和壓力下，溶質的吸附量和浴液的表面張力及浴液的濃度之間的關糸遵守吉布斯(Gibbs)吸附萬程：c(2)RTc T, P式中，r為溶質在表面層的吸附量；丫 為表面張力；c為吸附達到平衡時溶質的濃度。引起溶劑表面張力顯著降低的物質叫表面活性物質，r>o,即產生正吸附的物質；反之稱為表面惰性物質，r <o,即產生負吸附的物質。被吸附的表面活性物質分子在界面層中的排列,決定于它在液層中的濃度，這可由圖1看出。 圖i被吸附的分子在界面上的

4、排列圖1中(1)和(2)是不飽和層中分子的排列，(3)是飽和層分子的排列。圖2表面張力和濃度關系圖當界面上被吸附分子的濃度增大時，它的排列方式在不斷改變，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，分子排列方式如 圖1中(3)所示。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。如果在恒溫下繪成曲線 丫 =f(c)(表面張力等溫線)，當c增加時，丫 在開始時顯著下降，而后下降逐漸緩 慢下來，以至 丫的變化很小，這時 丫的數值恒定為某一常數(見圖2)。利用此圖 求出其在一定濃度時曲線的切線斜率，代入吉布斯吸附方程就

5、可求得表面吸附量。 或者在曲線上某一濃度 c點作切線和縱坐標交于 b點，再從切點a作平行于橫坐標 的直線，交縱坐標于 b'點，以Z表示切線和平行線在縱坐標上截距間的距離，故 有：= -Z/cr = -=ZZRT(3)根據朗格繆爾(Langmuir)公式：(單分子層吸附)Kc1 Kc(4)其中r“為飽和吸附量，即表面被吸附物鋪滿一層分子時的吸附量，整理可得：c c1K（5）以c/ r對c作圖，得一直線，該直線的斜率為1/ r即可求得飽和吸附量。 由所求得的 r/弋入：1 AL（6）可求被吸附分子的截面積（L為阿佛加得羅常數）。若已知溶質的密度 p,分子量M就可計算出吸附層厚度S :M /

6、（7）而測定溶液的表面張力有多種方法，如毛細管上升法、滴重法、拉環法等，而 以最大氣泡法壓力法（泡壓法）較方便，使用較多。先來考察一下氣泡的形成過程：將待測表面張力的液體裝于測定管中，使毛細 管的端面和液面相切，液面即沿毛細管突然上升，緩緩打開減壓瓶的下端活塞，毛 細管內液面上受到一個比減壓瓶中液面上大的壓力，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。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

7、徑 R和毛細管半徑r相等，曲率半徑達最小值，根據卜式這 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。附加壓力和表面張力成正比，和氣泡的曲率半徑成反比，遵循拉普拉斯公式：2 P 一R（8）式中， p為附加壓力；丫 為表面張力；R為氣泡的曲率半徑。實際測量時，使毛細管端剛好和液面接觸，則可忽略氣泡鼓泡所需克服的靜壓 力，這樣就可直接用上式進行計算。在實驗中，如果使用冋一支毛細管和壓力計，則可以用已知表面張力的液體為 標準（如蒸餾水），分別測定標準物和待測物的最大附加壓力，通過對比計算求未 知液體的表面張力，其中 丫水/ p水則被稱為儀器常數：-（ 9） 測水（9丿7水

8、根據此法所測得的表面張力，使用上面介紹的方法就可以求出所測物質在溶液 中的飽和吸附量、被吸附分子的截面積和吸附層厚度。實驗儀器和試劑儀器：表面張力力管一支；表面張力教學實驗儀（DMPY-2C 臺；鼓泡毛細管一支；滴液漏斗一個；10ml移液管一個；5ml刻度移液管一支；250m容量瓶一個，50ml 容量瓶9個；50ml簡式滴定管一支；洗耳球一個；恒溫水浴一套。試劑：正丁醇（AR）;酸洗液；蒸餾水。實驗步驟1. 酸洗液清洗毛細管和玻璃儀器，按要求連接好裝置的氣密性。并記錄一次實驗室溫度計大氣。2. 打開表面張力教學實驗儀電源開關，預熱10分鐘。3. 將表面張力教學實驗儀和大氣相連，待儀器數值穩定后

9、，清零。4. 用水做標準物質，測定儀器室溫下的常數K。（1）在表面張力管中注入適量的蒸餾水，調節液面，時毛細管下端面恰好和液面相切，按實驗要求將實驗儀器連接好，并在滴管漏斗中加入約二分之二體積的自來水。（2）調節滴液漏斗的旋塞，使氣泡進毛細管緩慢均勻的向液面鼓出，鼓泡速度控制在5020個每分鐘，且氣泡一個接一個的間斷鼓出。這時，讀 取表面張力教學儀所顯示的數據最大值P最大。5. 按要求配置一系列濃的的正丁醇水溶液，其濃度分別為0.02mol/l 、0.04mol/l 、0.06mol/l、0.08mol/l、0.10mol/l、0.12mol/l、0.16mol/l、0.20mol/l、0.2

10、4mol/l 。6. 待測正丁醇溶液表面張力的測定。用少量待測溶液潤洗支管試管及毛細管。將 上述4中的蒸餾水依次換成不冋濃度正丁醇水溶液，按濃度由稀到濃的順序重 復步驟四的操作。7. 實驗結束后分別用和蒸餾水仔細將毛細管和表面張力管沖洗23次，并放回原處。再將毛細管洗液浸泡。8. 在記錄一次實驗室溫度，并于第一次記錄的實驗室溫度結合，取平均值，作為試驗溫度。實驗注意事項1 測定系統不能漏氣，減壓管上端通大氣活塞一定要關緊，不能漏氣。2 所用毛細管必須干凈，不能堵，應保持垂直，其管口剛好和液面相切。3 減壓管中液體流動速度要好好調，不要太快。4 .讀取壓力計的壓差時，應取氣泡單個逸出時的最大壓力

11、差。實驗原始數據記錄開始：溫度=17.8 C 大氣壓=88.95kpa結束：溫度=17.8 C大氣壓=88.79kpa水的 P最大=622kpa不同濃度正丁醇水溶液極其P最大濃度（mol/l ）0.020.040.060.080.100.120.160.200.24 P 最大(kpa)598553536499475467425409391平均溫度=17.8 C平均大氣壓=88.87kpa表面張力一濃度關系曲線實驗數據處理由上圖可計算的個點的，結合溫度制的下圖 正丁醇溶液吉布斯吸附等溫線：EEoLUClla直寄材再以c/ 對c作圖得知該直線的斜率為0.013 x 107,則根據 C C1/5 “

12、=1.3 x 101/(K ) =0.811 x 10所以.5_6_2正丁醇飽和吸附量=1/ （ 1.3 x 10）=7.692 x 10 _ mol m-問題討論：1、在毛細管升高法中，影響實驗結果的因素有哪些？答：毛細管及試管的潔凈程度；毛細管的內徑大小（內徑小，測量的高 度誤差小）；毛細管粗細是否均勻；毛細管內半徑的測量是否準確；測量時， 毛細管是否垂直液面。2、在用滴重法測水（溶液）的表面張力是，需要注意些什么？答：毛細管中不宜加過多的水，應該使毛細管球體中的液面稍高于毛細管的最高 處，從而使水從毛細管末端慢慢滴下；在搜集水滴的時候，保持動作輕快，既要 完整地搜集到每一滴水，又不能使裝

13、置震動；稱量時，應在稱量瓶上 蓋上瓶蓋，減少水的蒸發，使實驗結果更加準確；測量毛細管外徑時要正確使用 游標卡尺，正確讀數。問題討論及誤差分析3、毛細管插入深度對實驗是否有影響？為什么？答：一般來說，是沒影響的。但在另一種情況下，毛細管插入深度對實驗有影響， 對于本實驗，毛細管的長度是有限的，隨著毛細管插入深度的增加，露在溶液外部 的毛細管長度減少，倘若外部的毛細管長度低于正常測量時液柱的高度，相應的， 毛細管內的液柱也會下降，測得的高度也就減少。因為毛細管中的的液柱是不會流 出毛細管的。也就是物理上所說的毛細永動機不可能存在。誤差分析：若是以滴重法為標準數據，可以看出毛細管升高法的實驗誤差更大，這是毛細管升 高法的方法誤差和讀書時的偶然誤差一起的。1 毛細管放置是否豎直及干凈程度對實驗會帶來誤差。2 讀數誤差大，包括測量液柱高度時用的是一般的直尺，精度僅為小數點后一位，估讀一位；測量毛細管內徑時讀數顯微鏡，經多次調節，視野中物象仍舊模糊,溶液和管壁界面不清晰