1、PAGE PAGE 7大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn) = 2 * ROMAN II實(shí)驗(yàn)報(bào)告物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 學(xué)院：化學(xué)與化工學(xué)院 專業(yè)： 班級(jí)： 姓名實(shí)驗(yàn)日期實(shí)驗(yàn)時(shí)間學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)工程名稱外表張力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆兆畲笈輭悍y(cè)定液體外表的方法，了解外表張力測(cè)定的因素。測(cè)定不同濃度正丁醇溶液的外表張力，計(jì)算吸附量，并由外表張力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求分子的外表積。實(shí)驗(yàn)原理 外表張力是液體的重要性質(zhì)之一，它是因外表層分子受力不均衡所引起的。如液體與其蒸氣構(gòu)成的系統(tǒng)：液體內(nèi)部的分子與周圍分子間的作用力是球形對(duì)稱的，可以彼此抵消，合力為零，而外表層分子處于力場(chǎng)不對(duì)稱的環(huán)境中，液體內(nèi)局部子對(duì)它的作用力遠(yuǎn)大于液面上蒸氣分子對(duì)它的作用力，

2、從而使它受到指向液體內(nèi)部的拉力作用，故液體都有自動(dòng)縮小外表積的趨勢(shì)。從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，液體外表縮小是使系統(tǒng)總吉布斯函數(shù)減小的一個(gè)自發(fā)過(guò)程，如欲使液體產(chǎn)生新的外表A，就需對(duì)其做功，其大小應(yīng)與A成正比： G =W= A 1 比例系數(shù)從能量的角度被稱為比外表吉布斯函數(shù)，即為恒溫恒壓下形成1m2新外表所需的可逆功，其單位為Jm-2。從物理學(xué)力的角度看，可被理解為沿著外表、和外表相切、垂直作用于單位長(zhǎng)度相界面線段上的外表緊縮力，即外表張力，其單位是Nm-1。在定溫下純液體的外表張力為定值，當(dāng)參加溶質(zhì)形成溶液時(shí)，外表張力發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的性質(zhì)和參加量的多少。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑

3、的外表張力時(shí)，外表層中溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質(zhì)使溶劑的外表張力升高時(shí)，它在外表層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低，這種外表濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的外表吸附。在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的外表張力及溶液的濃度之間的關(guān)系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程： 2式中，為溶質(zhì)在外表層的吸附量；為外表張力；c為吸附到達(dá)平衡時(shí)溶質(zhì)的濃度。 引起溶劑外表張力顯著降低的物質(zhì)叫外表活性物質(zhì)，0，即產(chǎn)生正吸附的物質(zhì)；反之稱為外表惰性物質(zhì)，0，即產(chǎn)生負(fù)吸附的物質(zhì)。被吸附的外表活性物質(zhì)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1 被吸附的分子在界面上的排列圖1中(1)和(

4、2)是不飽和層中分子的排列，(3)是飽和層分子的排列。 圖2 外表張力和濃度關(guān)系圖 當(dāng)界面上被吸附分子的濃度增大時(shí)，它的排列方式在不斷改變，最后，當(dāng)濃度足夠大時(shí)，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，隨著外表活性物質(zhì)的分子在界面上愈益緊密排列，那么此界面的外表張力也就逐漸減小。如果在恒溫下繪成曲線=f(c)(外表張力等溫線)，當(dāng)c增加時(shí)，在開始時(shí)顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來(lái)，以至的變化很小，這時(shí)的數(shù)值恒定為某一常數(shù)(見圖2)。利用此圖求出其在一定濃度時(shí)曲線的切線斜率，代入吉布斯吸附方程就可求得外表吸附量。或者在曲線上某一濃度c

5、點(diǎn)作切線與縱坐標(biāo)交于b點(diǎn)，再?gòu)那悬c(diǎn)a作平行于橫坐標(biāo)的直線，交縱坐標(biāo)于b點(diǎn)，以Z表示切線和平行線在縱坐標(biāo)上截距間的距離，故有： 3根據(jù)朗格繆爾(Langmuir)公式：?jiǎn)畏肿訉游?4其中 為飽和吸附量，即外表被吸附物鋪滿一層分子時(shí)的吸附量，整理可得： 5 以 c/ 對(duì) c 作圖，得一直線，該直線的斜率為1/，即可求得飽和吸附量。由所求得的 代入： 6可求被吸附分子的截面積(L為阿佛加得羅常數(shù))。 假設(shè)溶質(zhì)的密度，分子量M，就可計(jì)算出吸附層厚度 ： 7而測(cè)定溶液的外表張力有多種方法，如毛細(xì)管上升法、滴重法、拉環(huán)法等，而以最大氣泡法壓力法泡壓法較方便，應(yīng)用較多。先來(lái)考察一下氣泡的形成過(guò)程：將待測(cè)外

6、表張力的液體裝于測(cè)定管中，使毛細(xì)管的端面與液面相切，液面即沿毛細(xì)管突然上升，緩緩翻開減壓瓶的下端活塞，毛細(xì)管內(nèi)液面上受到一個(gè)比減壓瓶中液面上大的壓力，當(dāng)此壓力差附加壓力(p=p大氣- p系統(tǒng))在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管口液體的外表張力時(shí)，氣泡就從毛細(xì)管口脫出。 如果毛細(xì)管半徑很小，那么形成的氣泡根本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時(shí)，外表幾乎是平的，這時(shí)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(shí)曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等，曲率半徑達(dá)最小值，根據(jù)下式這時(shí)附加壓力達(dá)最大值。氣泡進(jìn)一步長(zhǎng)大，R變大，附加壓力那么變小，直到氣泡逸出。附加壓力與外表張力成正比，與氣泡的曲

7、率半徑成反比，遵循拉普拉斯公式： 8 式中， p為附加壓力；為外表張力；R為氣泡的曲率半徑。 實(shí)際測(cè)量時(shí)，使毛細(xì)管端剛好與液面接觸，那么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(jìn)行計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)中，如果使用同一支毛細(xì)管和壓力計(jì)，那么可以用外表張力的液體為標(biāo)準(zhǔn)如蒸餾水，分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物和待測(cè)物的最大附加壓力，通過(guò)比照計(jì)算求未知液體的外表張力，其中水/ p水那么被稱為儀器常數(shù)： 9根據(jù)此法所測(cè)得的外表張力，使用上面介紹的方法就可以求出所測(cè)物質(zhì)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(shí)驗(yàn)儀器和試劑儀器：外表張力力管一支；外表張力教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀DMPY-2C一臺(tái)；鼓泡毛細(xì)管一支；滴液漏

8、斗一個(gè)；10ml移液管一個(gè)；5ml刻度移液管一支；250m容量瓶一個(gè)，50ml容量瓶9個(gè)；50ml簡(jiǎn)式滴定管一支；洗耳球一個(gè)；恒溫水浴一套。試劑：正丁醇AR；酸洗液；蒸餾水。實(shí)驗(yàn)步驟酸洗液清洗毛細(xì)管和玻璃儀器，按要求連接好裝置的氣密性。并記錄一次實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)大氣。翻開外表張力教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀電源開關(guān)，預(yù)熱10分鐘。將外表張力教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀與大氣相連，待儀器數(shù)值穩(wěn)定后，清零。用水做標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測(cè)定儀器室溫下的常數(shù)K。在外表張力管中注入適量的蒸餾水，調(diào)節(jié)液面，時(shí)毛細(xì)管下端面恰好與液面相切，按實(shí)驗(yàn)要求將實(shí)驗(yàn)儀器連接好，并在滴管漏斗中參加約三分之二體積的自來(lái)水。調(diào)節(jié)滴液漏斗的旋塞，使氣泡進(jìn)毛細(xì)管緩慢均勻的向液面鼓

9、出，鼓泡速度控制在5020個(gè)每分鐘，且氣泡一個(gè)接一個(gè)的間斷鼓出。這時(shí)，讀取外表張力教學(xué)儀所顯示的數(shù)據(jù)最大值P最大。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、0.24mol/l。待測(cè)正丁醇溶液外表張力的測(cè)定。用少量待測(cè)溶液潤(rùn)洗支管試管及毛細(xì)管。將上述4中的蒸餾水依次換成不同濃度正丁醇水溶液，按濃度由稀到濃的順序重復(fù)步驟四的操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別用 和蒸餾水仔細(xì)將毛細(xì)管和外表張力管沖洗23次，并放回原處。再將毛細(xì)管洗液浸泡。在記錄一次實(shí)

10、驗(yàn)室溫度，并于第一次記錄的實(shí)驗(yàn)室溫度結(jié)合，取平均值，作為試驗(yàn)溫度。 實(shí)驗(yàn)考前須知1測(cè)定系統(tǒng)不能漏氣，減壓管上端通大氣活塞一定要關(guān)緊，不能漏氣。2所用毛細(xì)管必須干凈，不能堵，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切。3減壓管中液體流動(dòng)速度要好好調(diào)，不要太快。4讀取壓力計(jì)的壓差時(shí)，應(yīng)取氣泡單個(gè)逸出時(shí)的最大壓力差。實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄開始： 溫度=17.8 大氣壓=88.95kpa結(jié)束：溫度=17.8 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/l0.020.040.060.080.100.120.160.200.24P最大 (kpa)5985535364994

11、75467425409391實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理平均溫度=17.8 平均大氣壓=88.87kpa外表張力濃度關(guān)系曲線由上圖可計(jì)算的個(gè)點(diǎn)的，結(jié)合溫度制的下列圖正丁醇溶液吉布斯吸附等溫線：再以c/對(duì)c作圖得知該直線的斜率為0.013107，那么根據(jù)1/=1.3105 1/K=0.811107所以 正丁醇飽和吸附量=1/1.3105=7.69210-6molm-2問(wèn)題討論及誤差分析問(wèn)題討論：1、在毛細(xì)管升高法中，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素有哪些？答：毛細(xì)管及試管的潔凈程度；毛細(xì)管的內(nèi)徑大小內(nèi)徑小，測(cè)量的高度誤差小；毛細(xì)管粗細(xì)是否均勻；毛細(xì)管內(nèi)半徑的測(cè)量是否準(zhǔn)確； = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 測(cè)量

12、時(shí)，毛細(xì)管是否垂直液面。2、在用滴重法測(cè)水溶液的外表張力是，需要注意些什么？答：毛細(xì)管中不宜加過(guò)多的水，應(yīng)該使毛細(xì)管球體中的液面稍高于毛細(xì)管的最高處，從而使水從毛細(xì)管末端慢慢滴下；在搜集水滴的時(shí)候，保持動(dòng)作輕快，既要完整地搜集到每一滴水，又不能使裝置震動(dòng)；稱量時(shí)，應(yīng)在稱量瓶上蓋上瓶蓋，減少水的蒸發(fā)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確；測(cè)量毛細(xì)管外徑時(shí)要正確使用游標(biāo)卡尺，正確讀數(shù)。3、毛細(xì)管插入深度對(duì)實(shí)驗(yàn)是否有影響？為什么？答：一般來(lái)說(shuō)，是沒影響的。但在另一種情況下，毛細(xì)管插入深度對(duì)實(shí)驗(yàn)有影響，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，毛細(xì)管的長(zhǎng)度是有限的，隨著毛細(xì)管插入深度的增加，露在溶液外部的毛細(xì)管長(zhǎng)度減少，倘假設(shè)外部的毛細(xì)管長(zhǎng)度低于正常測(cè)量時(shí)液柱的高度，相應(yīng)的，毛細(xì)管內(nèi)的液柱也會(huì)下降，測(cè)得的高度也就減少。因?yàn)槊?xì)管中的的液柱是不會(huì)流出毛細(xì)管的。也就是物理上所說(shuō)的毛細(xì)永動(dòng)機(jī)不可能存在。誤差分析：假設(shè)是以滴重法為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可以看出毛細(xì)管升高法的實(shí)驗(yàn)誤差更大，這是毛細(xì)管升高法的方法誤差和讀書時(shí)的偶然誤差一起的。1毛細(xì)管放置是否豎直及干凈程度對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)帶來(lái)誤差。2讀數(shù)誤差大，包括測(cè)量液柱高度時(shí)用的是一般的直尺，精度僅為小數(shù)點(diǎn)后一位，估讀一位；測(cè)量毛細(xì)管內(nèi)徑時(shí)讀數(shù)顯微鏡，經(jīng)屢次調(diào)節(jié)，視野中物象仍舊模糊，溶液與管壁界面不清晰，讀數(shù)誤差大。3.在實(shí)驗(yàn)