最大泡压法测定溶液的表面张力

学院：化学化工学院       班级:应用化学

姓名：袁玲博            学号：20115052028

一、实验目的：

    （1）了解表面自由能、表面张力的意义及表面张力与吸附的关系；

（2）通过测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算吉布斯表面吸附量和乙醇分子的横截面积，掌握气泡最大压力法测定表面张力的原理和技术。

技能要求：掌握自动界面张力仪的使用方法，实验数据的作图处理方法.

二、实验原理：

     （1）表面张力的物理意义：在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系

的吉布斯自由能的增值称为表面吉布斯自由能（J·m^-2），用γ表示。也可以

看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N·m^-1）；

（2）影响表面张力的因素：液体的表面张力与温度有关，温度越高，表面张力越小。液体的表面张力与液体的浓度有关，在溶剂中加入溶质，表面张力就会 发生变化；

（3）表面张力与吸附量的关系：表面张力的产生是由于表面分子受力不均衡引起的，当加入一种物质后，对某些溶液（包括内部和表面）及固体的表面结构会带来强烈的影响，则必然引起表面张力的改变。如果溶质加入能降低表面吉布斯自由能时，边面层溶质浓度比内部大；反之增加表面吉布斯自由能时，则溶液在表面的浓度比内部小。由此可见，在指定温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力有关，即吉布斯等温吸附方程：

                 Γ= -（ds/dc）_T（c/RT）

其中Γ为溶质的表面超额，c 为溶质的浓度，s为溶液的表面张力：

1）  若ds/dc＜0，Γ＞0，为正吸附，表面层溶质浓度大于本体溶液，溶质是表面活性剂。

2）  若ds/dc＞0，Γ＜0，为负吸附，表面层溶质浓度小于本体溶液，溶质是非表面活性剂。

溶液的饱和吸附量： c/Γ= c/Γ_∞＋1/KΓ_∞

分子的截面积：     s_B = 1/（Γ_∞L）     L=6.02×10²³

三、实验步骤

1.配置溶液:

用称重法粗略配制5%,10%,15%,20%,25%,30%,35%,40%的乙醇水溶液各50ml待用。

2．测定毛细管常数：

将玻璃溶液认真洗涤干净，在测试管中注入蒸馏水，使管内液面刚好与毛细管口相接触，至于恒温水浴内恒温10min。毛细管需垂直并注意液面位置，然后按图接好测量系统。慢慢打开抽气瓶活塞，注意气泡形成的速率应保持稳定，通常控制在每分钟8-12个气泡为宜，即数字微压微压差测量仪的读数（瞬间最大压差）约在700-800pa之间。读书3次，取平均值

3．测量乙醇溶液的表面张力

按实验步骤三分别测量不同浓度的乙醇溶液。从稀到浓依次进行。每次测量前必须用少量被测溶液洗涤试管，尤其是毛细管部分，确保毛细管内外溶液的浓度一致。

4.分别测定乙醇溶液的折光率

四、实验数据及处理：

以纯水(25℃)的测量结果计算仪器毛细管常数K′，纯水的表面张力s查书附录。

     查表得：温度：  13℃  水的表面张力s：0.07378N/m   仪器常数K′： 0.053066 

实验数据记录：

根据上表绘制曲线：

2、拟合曲线y=ax² +bx+c，由直线斜率求其饱和吸附量，并计算乙醇分子的横截面积s_B，附图：

拟合二次函数得到：y=-2.34192×10^-4x²-0.00556x+0.06521  

求导：y’=-4.68384×10^-4x-0.00556

实验数据分析：

根据上表绘制c/--c曲线：

计算：＝  1/21332.41=4.69*10^-5           s_B＝1 / L＝  3.54*10^-20 

五、讨论思考：

1.与文献值（见书中附录）对照，检验你的测定结果，并分析原因。

答：绘制出的曲线不是很符合特征（标准）曲线，可能是实验数据误差较大引起的，归结起来可能由以下原因引起：

（1）出泡速率不能太快。因为出泡速率快将使表面活性物质来不及在气泡表面达到吸附平衡，也将使气体分子间摩擦力和流体与管壁间的摩擦力增大，这将造成压力差增大，使表面张力测定值偏高。所以要求从毛细管中溢出的气泡必须单泡溢出，有利于表面活性物质在表面达到吸附平衡，并可减少气体分子及气体与管壁之间的摩擦力，才能获得平衡的表面张力；

      （2）毛细管插入溶液中的深度直接影响测量结果的准确性。假如毛细管尖端插入液下，会造成压力不只是液体表面的张力，还有插入部分液体的静压力。为了减少静压力的影响，应尽可能减少毛细管的插入和深度，使插入深度△h接近0。毛细管内的空气压力与管口处的液体表面张力平衡，插入一定深度后，需增加空气压力才能抵消这一深度的液柱压力，使实验测得的表面张力值偏高。而该实验装置中，随着滴液漏斗中水的不断流出，滴液的速度会减慢，装置的此处有待改进。另外，毛细管的竖直以及毛细管进入液面的深度，对于测定结果都有一定的影响。

2.表面张力测定仪的清洁与否和温度之不恒定对测量结果有何影响？

答：如果玻璃器皿的不清洁和温度不恒定，则气泡不能连续平稳地通过，从而使压差

计读数不稳定。由于溶液折光率、浓度等随着温度变化而变化，若温度不稳定，

则难以测得溶液的准确浓度。

第二篇：实验十 最大泡压法测定溶液表面张力

                   实验十最大泡压法测定溶液表面张力

一．实验目的

1．明确表面张力、表面自由能和吉布斯吸附量的物理意义。

2．掌握最大泡压法测定溶液表面张力的原理和技术。

3．掌握计算表面吸附量和吸附质分子截面积的方法。

二．实验原理

1．表面张力和表面吸附

液体表面层的分子一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，由于前者的作用要比后者大，因此在液体表面层中，每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力，如图1所示，这种吸引力使表面上的分子自发向内挤促成液体的最小面积，因此，液体表面缩小是一个自发过程。

在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的吉布斯自由能的增值称为表面吉布斯自由能（J·m^-2），用γ表示。也可以看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N·m^-1）。

欲使液体产生新的表面ΔS，就需对其做表面功，其大小应与ΔS成正比，系数为即为表面张力 γ：        

 －W =γ×ΔS             (1)

                                     液体表面与分子内部受力情况图

在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成

  图1                     

溶液时，分子间的作用力发生变化，表面张力也发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。水溶液表面张力与其组成的关系大致有以下三种情况：

（1）随溶质浓度增加表面张力略有升高；

（2）随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些；

（3）溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表面张力几乎不再改变。

以上三种情况溶质在表面层的浓度与体相中的浓度都不相同，这种现象称为溶液表面吸附。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：

Γ =            （2）

式中，Г为溶质在表层的吸附量，单位mol·m²，γ为表面张力，c溶质的浓度。

若＜0，则Γ＞0，此时表面层溶质浓度大于本体溶液，称为正吸附。引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性剂。

若＞0，则Γ＜0，此时表面层溶质浓度小于本体溶液，称为负吸附。

通过实验测得表面张力与溶质浓度的关系，作出γ－c 曲线，并在此曲线上任取若干点作曲线的切线，这些切线的斜率就是与其相应浓度的，将此值代入（2）式便可求出在此浓度时的溶质吸附量Γ。吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。

2．最大泡压法测表面张力原理

测定溶液的表面张力有多种方法，较为常用的有最大泡压法其测量方法基本

原理可参见图2。

      

图2   最大抛压法测液体表面张力装置

图中B是管端为毛细管的玻璃管，与液面相切。毛细管中大气压为p₀。试管A中气压为p，当打开活塞E时，C中的水流出，体系压力p逐渐减小，逐渐把毛细管液面压至管口，形成气泡。在形成气泡的过程中，液面半径经历：大→小→大，即中间有一极小值r_min＝r_毛，此时气泡的曲率半径最小，根据拉普拉斯公式，气泡承受的压力差也最大：

                           （5）

此压力差可由压力计D读出，故待测液的表面张力为：

                             （6）

若用同一支毛细管测两种不同液体，其表面张力分别为γ₁、γ₂，压力计测得压力差分别为Δp₁、Δp₂则：

                                              (7)

若其中一种液体的γ₁已知，例如水，则另一种液体的表面张力可由上式求得。即：

               (8)

式中：

                            （9）

称为仪器常数，可用某种已知表面张力的液体（常用蒸馏水）测得。

三．仪器与试剂

最大泡压法表面张力仪，精密数字压力计，吸耳球，移液管（各种量程），容量瓶 (50mL)，正丁醇（分析纯），蒸馏水。

四．实验步骤

 1．仪器准备与检漏

将洁净的表面张力仪各部分连接好。

将自来水注入抽气管C中；在试管A中注入约50mL蒸馏水，使毛细管下端较深地浸入到水中；打开活塞E，这时抽气管C中水流出，使体系内的压力降低（注意：勿降低到使毛细管口冒泡），当压力计指示出若干压力差时，关闭活塞E，停止抽气。若2min～3min内，压力计指示压力差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。

2．仪器常数K的测量

调节毛细管或液面高度，使毛细管口与水面相切。打开活塞E抽气，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间为为6s～10s。若形成时间太短，则吸附平衡来不及在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。在形成气泡的过程中，液面半径经历：大→小→大，同时压力差计指示值的绝对值则经历：小→大→小的过程，记录下绝对值最大的压力差，共三次，取其平均值。再由附录中，查出实验温度时水的表面张力γ₁，则可以计算仪器常数

3．系列浓度正丁醇水溶液表面张力的测定

配制50mL浓度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mol·L^-1的系列正丁醇溶液，与测仪器常数相同的方法，按由稀到浓的顺序测定各溶液最大压力差，求出各溶液的表面张力γ。

测定管每次应用待测液淌洗一次。

五．数据处理

数据记录

温度：   24℃        水的表面张力： 0.07218N/m      仪器常数K：    0.1104     

1．查出实验温度下水的表面张力，计算仪器常数K。

2．计算系列正丁醇溶液的表面张力，根据上述计算结果，绘制γ—c等温线。

3．由γ－c等温线作不同浓度的切线，求(dγ/dc)_T，并求出Г，绘制Г—c吸附等温线。

六．注意事项

1．所用毛细管必须干净、干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。

2．读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。

3．手动做切线时，可用镜面法。

七．思考题

1．毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切? 如果毛细管端口插入液面有一定深度，对实验数据有何影响？

答：如果将毛细管末端插入到溶液内部，毛细管内会有一段水柱，产生压力Pˊ，则测定管中的压力Pr会变小，△pmax会变大，测量结果偏大。

2．最大泡压法测定表面张力时为什么要读最大压力差？如果气泡逸出的很快，或几个气泡一齐出，对实验结果有无影响？

答：如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，根据拉普拉斯(Laplace)公式，此时能承受的压力差为最大：△pmax = p0 - pr = 2σ/γ。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。最大压力差可通过数字式微压差测量仪得到。

如气泡逸出速度速度太快，气泡的形成与逸出速度快而不稳定；致使压力计的读数不稳定，不易观察出其最高点而起到较大的误差。

3．本实验为何要测定仪器常数？仪器常数与温度有关系吗？

答：因为用同一支毛细管测两种不同液体，其表面张力为γ1，γ2，压力计测得压力差分别为 △P1，△P2，则 γ1/γ2=△P1/△P2 ， 若其中一液体γ1已知，则γ2=K×△P2其中K=γ1/△P1，试验中测得水的表面张力γ1，就能求出系列正丁醇的表面张力。