1、溶液表面張力的測定最大氣泡法實驗報告材33 2013012030 張鵬翔實驗日期：2015.03.19 同組姓名：汪偉男實驗目的1用最大氣泡法測定不同濃度正丁醇溶液的表面張力。2利用吉布斯公式計算不同濃度下正丁醇溶液的吸附量，進而求出正丁醇分子截面積和飽和吸附分子層厚度。3. 掌握用計算機處理數據的方法。實驗原理 在液體內部，任何分子受周圍分子的吸引力是平衡的，可是表面層的分子受內層分子的吸引與受表層外介質的吸引并不相同，所以，表面層的分子處于力不平衡狀態，表面層的分子比液體內部分子具有較大勢能，如欲使液體產生新的表面就需要對其作功。在溫度、壓力和組成恒定時，可逆地使表而積增加所需作的功為 (

2、1) 比例系數表示在等溫等壓下形成單位表面所需的可逆功，其數值等于作用在界面上每單位長度邊緣上的力，稱為表面張力。 在純物質情況下表面層的組成與內部的相同，但溶液的情況卻不然，加入溶質后溶劑的表面張力發生變化。根據能量最低原則，當溶質降低該劑的表面張力時，表面層中溶質的濃度比溶膠內部的大，反之，溶質使溶劑的表面張力升高時，它在表面層中的濃度比在內部的濃度的大。這種表面濃度與溶液內部濃度不同的現象叫做溶液的表面吸附。顯然，在指定的溫度和壓力下，溶質的吸附量與溶液的濃度及溶液的表面張力隨濃度的變化率有關，從熱力學可知，它們之間的關系遵守吉布斯吸附公式：（2）式中；吸附量，；表面張力，；c溶質的濃度

3、，；T熱力學溫度，K；R摩爾氣體常數8.314。 當時，稱為正吸附；當時，稱為負吸附。 溶于溶液中能使其表面張力降低的物質稱為表面活性物質，工業和日常生活中廣泛應用的去污劑、乳化劑、潤滑劑以及起泡劑等都是表面活性物質。它們的主要作用發生在界面上，所以研究這些物質的表面效應是有實際意義的。如果作曲線，開始時隨c的增加而下降較快，以后的變化比較緩慢。根據曲線，可以用作圖法求出不同濃度的值(見圖1)。圖1：表面張力與濃度的關系在曲線上任取一點a，過a點作曲線的切線以及平行于橫坐標軸的直線分別交縱坐標軸于b、b，令bbZ，則，代入(2)式，。從曲線上取不同的點，就可以得出不同的Z值，從而可以求出不同濃

4、度下的吸附量。在計算機輔助實驗的條件下，可以直接在擬合的曲線上計算切線斜率。吸附量與濃度之間的關系可以用朗格繆爾等溫吸附方程表示。在一定溫度下，吸附量與溶液濃度之間有如下關系： (3)式中為飽和吸附量，k為常數。上式可以改寫為如下的形式： （4）若以c對c作圖，應為一直線，其斜率的倒數即為。由于單位面積上的分子數為 (L為阿佛加德羅常數)，所以每個分子在表面上所占的面積，即分子的截面積為： (5)我們還可以從下式求出表面活性物質飽和吸附分子層厚度： (6)M為溶質的摩爾質量，為溶質密度。本實驗采用最大氣泡法測定液體表面張力，原理如圖2所示。圖2：測定表面張力裝置1 毛細管 2 壓力計3 抽氣瓶

5、 4 大試管將待測液體裝入大試管4中，使毛細管1的端面與液面相切液面即沿毛細管上升。打開抽氣瓶3的活塞抽氣。毛細管內液面上受到比大試管4較大的壓力，當此壓力差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，氣泡就從毛細管口被壓出。這個最大的壓力差值可由U型壓力計2讀出：式中為U型壓力計兩邊讀數之差，g為重力加速度，為壓力計內液體的密度。在實際實驗中，U型壓力計被電子壓力計所替代，準確度更高。 另一方面，當氣泡在毛細管口逐漸長大時，其曲率半徑逐漸變小。氣泡達到最大時便會破裂，此時曲率半徑最小，等于毛細管半徑R。這時氣泡能夠承受的壓力差最大，為2R，它應等于：即 (7) 若用同一支毛細管

6、和壓力計，對兩種具有不同表面張力和的液體進行測量下列關系式成立：故有 (8)式中的K值對同一支毛細管及同一種壓力計介質是常數，稱作儀器常數。由已知表面張力的液體作標準求出常數K，使可用上式求其它液體的表面張力。 儀器與藥品計算機及接口；微壓計（差壓）（清華大學化學實驗中心）；表面張力儀（自制）一套；水浴溫度計；恒溫槽；900 mL、500 mL燒杯各一個；100 mL容量瓶7個；50 mL、25 mL、20 mL、10 mL移液管各一支；吸耳球；洗瓶。(滴管）0.4 mol/L、0.5 mol/L正丁醇水溶液。實驗條件室溫： 13 大氣壓: 101.31 kPa 相對濕度：17%實驗操作步驟1

7、、 配制溶液用實驗室已準備好的0.5mol/L正丁醇水溶液分別稀釋配制0.3、0.2、0.1、0.05 mol/L的溶液；再用自己配制好的0.05 mol/L正丁醇水溶液稀釋配制0.025 mol/L的溶液。2、 打開電源，檢查儀器裝置與藥品。打開磁力攪拌器，恒溫水浴控制在25（已設定好）。穩定一段時間，讀取水浴電子溫度計的讀數。3、 打開計算機，選擇數據采集-表面張力，雙擊進入。4、 測定儀器常數。用去離子水充分洗凈大試管和毛細管，并往大試管中注入適量去離子水，使毛細管端口與水面剛好垂直相切。將大試管安裝在水浴中，給抽氣瓶注滿水，檢查活塞，打開氣閥使體系與大氣相通，單擊開始，穩定30秒后，關

8、閉與大氣相連的氣閥，打開抽氣瓶的活塞，使瓶內的水慢慢滴出，觀察微壓壓差計的讀數和計算機數據采集界面采集數據的變化。穩定后，記錄十個左右峰值的數據。單擊完成，并命名為存盤。5、 測定正丁醇水溶液的表面張力。方法同4，分別依次測定0.025、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L的正丁醇水溶液。每次測量前應用待測溶液潤洗大試管和毛細管。測定完畢后退出。觀察并讀取水浴電子溫度計的讀數。數據記錄及計算結果實驗中測得的平均水浴溫度：25.1該溫度下的水的表面張力N/m該溫度下正丁醇密度kg/L在實驗數據處理中，原本應該選取3個最低點，但我認為這樣有挑選實驗數據的嫌疑，因為在數據點中

9、并不能明顯看出哪些點應該剔除。先前剔除的點，反而有可能更加反映了真實情況。因此，我選取的實驗數據處理方法是：統一剔除10個點中的前兩個點（原因是一開始出氣泡的周期過程還未穩定），留下余下的8個點（c=0.25 mol/L情況除外，那次實驗存在明顯應該剔除的點）。表1. 選取數據點濃度（mol/L)起始點(mV)終點(mV)平均終點平均峰高標準差相對標準差00.0065-0.3342-0.3357-0.3330-0.3313-0.3331-0.3346-0.3325-0.3304-0.33310.33960.00170.51%0.0250.0071-0.3044-0.3050-0.3037-0.

10、3049-0.3047-0.3020-0.3050-0.3056-0.30440.31150.00110.36%0.050.0075-0.2829-0.2858-0.2840-0.2841-0.2820-0.2850-0.2815-0.2866-0.28400.29150.00180.61%0.10.0084-0.2512-0.2492-0.2541-0.2524-0.2493-0.2512-0.2489-0.2489-0.25070.25910.00190.74%0.150.0081-0.2219-0.2242-0.2238-0.2231-0.2251-0.2231-0.2222-0.224

11、9-0.22350.23160.00120.51%0.20.0081-0.2075-0.2084-0.2084-0.2078-0.2077-0.2083-0.2065-0.2081-0.20780.21590.00060.29%0.30.0094-0.1848-0.1837-0.1840-0.1831-0.1848-0.1845-0.1840-0.1846-0.18420.19360.00060.31%0.40.0095-0.1727-0.1733-0.1715-0.1700-0.1706-0.1718-0.1733-0.1726-0.17200.18150.00120.67%0.50.009

12、8-0.1578-0.1575-0.1587-0.1567-0.1579-0.1596-0.1572-0.1572-0.15780.16760.00090.56% 可以看到峰高的標準偏差是很小的。 由 （其中U代表微壓差壓計的輸出電壓）可計算出每個濃度處的表面張力。用公式擬合，可以得到A=0.02611, B=0.01472, C=0.0428, 相關系數R2 = 0.9964。表2. 實驗測得不同濃度的正丁醇溶液表面張力c(mol/L)E(mV)(N/m)00.33810.071960.0250.31160.066320.050.29140.062020.10.25910.055150.15

13、0.23150.049270.20.21590.045950.250.20880.044440.30.19370.041230.40.18170.038670.50.16770.03569圖3. 正丁醇水溶液表面張力與正丁醇濃度的關系 由擬合的曲線可計算出，代入，得到不同濃度下的表面吸附量。C (mol/L)E (mV) (N/m) (N/m) (10-6mol/m2)00.33810.071960.0005400.0250.31160.06632-0.000592.18880.050.29140.06202-0.000913.19860.10.25910.05515-0.000384.157

14、60.150.23150.049270.001084.61920.20.21590.045950.0014.89080.250.20880.044440.00855.06960.30.19370.04123-0.002575.19620.40.18170.03867-0.003125.36370.50.16770.03569-0.003565.4695因此由郎格繆爾公式，作圖有圖4. c/(*106) 對 c 作圖c/-c直線斜率為K = 168410所以 mol/m2這個量是很小的。（2）正丁醇分子的截面積和吸附分子層厚度的計算）由公式 S =可知：分子的截面積為S =m2） 由公式 m 也

15、就是表面只有0.5nm左右的厚度被覆蓋，證明吸附只發生在非常薄的一層表面中。書后思考題書P2922、為什么說儀器的干凈及樣品的純凈是實驗的關鍵？答：如果儀器沒有洗干凈或者試劑不純凈，會導致待測溶液濃度無法準確定出，與之前的實驗設計不相符合。而且萬一有表面活性物質混入待測溶液中，由于表面活性劑降低表面張力的效果十分顯著，可能造成相當大的干擾。3、氣泡形成速度的快慢，對結果有何影響？如果每次出2-3個氣泡對結果有何影響？答：氣泡形成速度過快，會導致體系處于力學上的不平衡、不穩定的狀態，氣泡冒出的臨界壓差不等于理論推導的半球形對應壓差。假如每次吐出2-3個氣泡，第一個氣泡突然冒出時，那么需要的壓差大

16、于理論壓差；緊接著冒出的氣泡與前面的氣泡相連，所以需要的壓差小于理論壓差，所以將會導致一個大峰后面緊跟一兩個小峰的情況。同樣，表面張力越小的液體中的氣泡越不容易破，即使沒有連續吐泡的現象發生，若后一次吐泡時前一次氣泡還沒有破裂，又附在毛細管口周圍，也會造成干擾。因此，一定要控制緩慢吐氣。4、為什么毛細管端口必須和液面相切？毛細管內徑的均勻與否對結果有無影響？答：相切保證大氣壓直接和液體表面相通，如果毛細管的端口伸到液面以下，會導致在形成氣泡時除大氣壓強之外，還附加一個液體壓強，使實驗結果不準確。毛細管端口附近內徑的均勻對結果有一定影響，但不會很大。雖然實驗中采用參比法，能保證兩次用的是同一根毛

17、細管，但由于不同濃度溶液與玻璃間的表面張力有所不同，端口處氣泡的位置也會略有不同，臨界的半球半徑也可能略有不同，因而內徑的不均可能對結果有一定影響，但不會顯著。毛細管內部內徑的均勻對結果沒有影響。小結：實驗中的關鍵操作 本次實驗從總體上是成功的。經驗如下：溶液濃度要準確。這不僅體現在容量瓶定容的操作上，還體現在移液管的使用、大試管和毛細管的潤洗上。由于實驗中提供了兩種不同濃度的標準溶液（0.4、0.5 mol/L），又提供了4支移液管，而移液管上沾有前一次移液的剩余之后濃度會不太準確，因此移液管決不能前后吸取不同濃度的標準溶液，而要做好計算。最好的辦法是，只用一種標準溶液，避免混亂。大試管和毛

18、細管都要潤洗，而測量溶液的濃度由低到高排列目的正是盡量減少潤洗不充分導致的誤差。實際操作中，由于毛細管所沾液體的容積非常小，可以直接用洗耳球吹幾下即可。毛細管必須與液面垂直相切。本次實驗中要測量的壓差很小，純水的情況下也只有大約35 mm的水柱，因此毛細管是否能恰好與液面相切，決定了壓差測量是否準確。若毛細管多浸入液面1 mm，測量的壓差就存在+1 mm的誤差。本次實驗沒有提供膠頭滴管，膠頭滴管在實驗中很重要，本次實驗我去柜子里找了一個，下次建議實驗室提供。另外，如果毛細管傾斜放置，那么臨界壓差時氣泡的形狀將不是標準的半球，造成理論分析的失效，形成誤差。出氣速度必須慢。實驗中的壓強是由體積很大的分液漏斗通過滴水來控制的。實驗指導中要求的每秒鐘1滴的速度我認為還不夠慢，至少應該降低到2秒鐘1滴，在正丁醇濃度較高時推薦降到3秒鐘1滴。假如吐氣太快，內外受力還沒有達到平衡，氣泡就已經吐出，不但不能反映真