实验报告
实验名称: 最大泡压法测定溶液的表面张力
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一、实验目的
1. 了解表面张力的性质，表面自由能的意义 以及表面张力和吸附的关系。
2. 掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。
3. 测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和吸附质分子的横截面积。
二、实验原理
1、表面张力
从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程，欲使液体产生新的表面ΔA，就需对其做功，其大小应与ΔA成正比：
－W′＝σ·ΔA （1）
它表示液体表面自动缩小趋势的大小，σ称为比表面自由能，其量纲为J·m-2。因其量纲又可以写成N·m－1, 所以σ还可称为表面张力。其物理意义是沿着与表面相切的方向垂直作用于表面单位长度上的力。
2、溶液的表面吸附
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，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。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 ：
（2）
式中：Γ为溶质在气—液界面上的吸附量（单位为mol·m-2）；T为热力学温度（K）；c为稀溶液浓度（mol·L-1）；R为摩尔气体常数 。
当 < 0时，Γ> 0称为正吸附；当 > 0时，Γ< 0称为负吸附。上述形式仅适用于稀。
前者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质叫表面活性物质；后者表明加入溶质使液体表面张力升高，此类物质叫非表面活性物质。本实验测定正吸附情况。
3、饱和吸附量和溶质分子的横截面积
在一定的温度下，吸附量Γ与浓度c之间的关系，可用Langmuir吸附等温式表示
（3）
式中Γ∞为饱和吸附量，K为经验常数，其值与溶质的表面活性大小有关。将上式两边取倒数，即可化成如下直线方程
（4）
以c/Γ对c作图，得一直线，该直线的斜率为 。
如果以N代表1m2表面上溶质的分子数，则有：
（5）
其中：L为阿伏加德罗常数，由此可得每个溶质分子在表面
上所占据的横截面积为：
（6）
4、表面张力的测定方法——最大泡压法
当毛细管下端端面与被测液体液面相切时，液体沿毛细管上升。打开抽气瓶（滴液漏斗）的活塞缓缓放水抽气，此时测定管中的压力Pr逐渐减小，毛细管中的大气压P0就会将管内液面压至管口，并形成气泡。其曲率半径恰好等于毛细管半径r时，根据拉普拉斯（Laplace）公式，此时能承受的压力差最大：
（7）
其中r为毛细管的曲率半径
随着放水抽气，大气压力将把该气泡压出管口。曲率
半径再次增大，此时气泡表面膜所能承受的压力差必然减少，而测定管中的压力差却在进一步加大，故立即导致气泡的破裂。最大压力差可通过数字式微差测量仪得到。
用同一个毛细管分别测定具有不同表面张力（σ1和σ2）的溶液时，可得下列关系
（8）
其中：K'称为毛细管常数，可用已知表面张力的物质来确定。
三、实验仪器与试剂
表面张力测定装置 1套； 恒温水浴（公用）1台；
阿贝折光仪 1台； 滴管；
烧杯（50mL) 数只； 乙醇（分析纯）
四、实验步骤
（一）、配制溶液、恒温准备
1. 用称重法粗略配置5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%， 40%的乙醇溶液各50mL待用。
2. 用乳胶管联接玻璃恒温夹套和恒温水浴，启动恒温水浴且将设定温度调至实验要求温度。
（二）、测定毛细管常数
洗净玻璃器皿，在测定管中注入蒸馏水，使管内液面刚好与毛细管口相接触，保持垂直并注意液面距离，恒温10min。慢慢打开滴液漏斗的活塞，注意气泡形成的速率控制在每分钟8~12个气泡，即数字式微压差测量仪的读数约在700 ~ 800Pa之间，读取3次，取平均值。
（三）、测定乙醇溶液的表面张力
依据测定毛细管常数的方法，从稀到浓，测定不同浓度乙醇溶液的表面张力。每次测量前必须用少量被测液洗涤测定管，尤其是毛细管部分，确保毛细管内外溶液的浓度一致。
（四）、测定乙醇溶液的折光率
使用阿贝折光仪测定不同浓度乙醇溶液的折光率。
（ 五）、测定乙醇溶液的工作曲线
使用阿贝折光仪测定不同标准浓度乙醇溶液的折光率。
五、数据记录和数据处理
（一）、数据记录
（二）、数据处理
1、计算K＇值。
已知25℃下，水的表面张力为71.97mN/m。
根据
K＇= 71.97/483 = 0.1490N/（m·Pa）
2、根据所测折光率，浓度—折光率工作曲线计算待测溶液的浓度和σ值。
待测溶液浓度和 σ 值：
浓度—折光率工作曲线
n=0.00284×c+1.32829，代入折光率可求出下列相对应的浓度。
2、作σ—c图，并在曲线上取10个点，分别作出切线，并求得对应的斜率。
在曲线上取点求得斜率和吸附量：
4、作出c/Γ~c图，由直线斜率求取Γ∞，并计算σB值。
c/Γ~c图
直线方程为:c/Γ =418.12763 × C-1379.88668
其斜率为: 418.12763
所以 Γ∞ = 1/418.12763 = 0.002392 mmoL/m2
σB = 1/(Γ∞×L)= 1/(0.002392×6.02×1023)
= 6.944522×10-19 J.m-2
六、思考题
1、本实验中为什么要读取最大压力差？
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，这时曲率半径很大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐减小，直到形成半球形，这时曲率 半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达到最小值。根据拉普拉斯公式，此时能承受的压力差为最大。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小知道气泡逸出，最大压力差可通过数学微压差测量。
2、如果将毛细管末端插入溶液内部进行测量行吗？为什么？
答：不行。如果那样做就会在毛细管中产生一段水柱，产生压力，则测定管中的压力就会变大，使测量结果变大。
七、实验小结
这次实验让我更好的了解表面张力的性质跟表面自由能的意义，同时进一步学习了用最大泡压法测定表面张力的原理和技术。而且让我知道了应该如何测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和吸附质分子的横截面积。实验的过程不是很复杂，但是需要仔细认真的进行实验操作及数据处理以减小实验误差。
第二篇：14试题表面张力
实验十四溶液表面张力的测定
第一题、填空题
1. 溶液的表面张力是指溶液单位表面的________________________。
2. 使液体表面张力降低的物质称____________，反之称__________。
3. 若铂环上沾有_____________杂质，会使所测溶液表面张力值偏低，若沾有_____________杂质，会使所测溶液表面张力值偏高。
4. 温度升高，溶液的表面张力____________，折光率_____________。
5. 若将张力仪中的扭力丝______________________易将其拉断。
6. 张力仪是通过测定____________________得到溶液表面张力值的。
7. 张力仪在使用前，需做____________调整和_____________校正。
8. 在最大气泡压力法测正丙醇溶液的表面张力实验中, 表面张力s与U 形压力计读数Dh间的关系为 s= r /2·rｇ·Dh, 其中r 为__________半径, r为__________密度。
9. 在最大气泡压力法测正丙醇溶液的表面张力实验中, 先测出表面张力随浓度变化的关系曲线, 即s～c曲线, 再由该曲线求得各浓度下的________________, 由Gibbs公式______________可求 得各浓度下的吸附量, 再由Langmuir关系式 可求出___________, 最后可求出达到饱和吸附时__________________。
10. 最大气泡压力法测液体表面张力的关键有以下三点：①＿＿＿＿必须干净，②鼓泡速度必须＿＿＿＿（填“迅速”或“缓慢”）， ③在压差计上读取的是＿＿＿＿（填“最大”或“最小”）压差。
11. 最大气泡法测表面张力实验中，仪器常数K= 。
12. 乙醇水溶液表面张力测定实验的数据处理过程中，为了得到表面剩余吸附量，应该以 对 作图。
第二题、选择题
1. 某物质的水溶液中，再加入该物质后使水溶液的表面__ ______则称该物质为表面活性剂
(A)浓度增大； (B)张力增大；
(C)浓度减小； (D)张力减小。
2. 乙醇水溶液中的表面张力随其溶液浓度变化，其规律是：
(A)两者成直线关系；
(B)随浓度增大，表面张力减小，幅度开始大，后来小；
(C)两者成反比关系；
(D)随浓度增大，表面张力增大，幅度开始大，后来小。
3. 乙醇在水溶液中的浓度不断增加时，吸附图形是：
(A) (B) (C) (D)
4. 不必测仪器常数，或不必校正仪器零点的实验是：
(A)燃烧焓的测定； (B) 表面张力测定；
(C)迁移数的测定； (D) 差热分析
5. 若铂环不水平，会使所测溶液表面张力值：
(A)偏高； (B)偏小；
(C)不变； (D)不确定。
6. 用最大气泡压力法测定溶液表面张力的实验中, 对实验实际操作的如下规定中哪一条是不正确的?
(A) 毛细管壁必须严格清洗保证干净
(B) 毛细管口必须平整
(C) 毛细管应垂直放置并刚好与液面相切
(D) 毛细管垂直插入液体内部, 每次浸入深度尽量保持不变
7. 现有一个由水形成的液珠和一个气泡,附加压力的方向分别是:
（A） 液珠:向外,气泡:向内, （B） 液珠:向内,气泡:向外
（C） 液珠:向外,气泡:向外, （D） 液珠:向内,气泡:向内
8. 用最大气泡压力法测定溶液表面张力的实验中, 对实验实际操作的如下规定中哪一条是不正确的?
(A) 毛细管壁必须严格清洗保证干净
(B) 毛细管口必须平整
(C) 毛细管应垂直放置并刚好与液面相切
(D) 毛细管垂直插入液体内部, 每次浸入深度尽量保持不变
9. 用最大气泡压力法测定溶液表面张力的实验中,溶液表面上的饱和吸附量符合：
（A）BET吸附 （B） 朗格缪尔吸附
（C）物理吸附, （D）氢键吸附
10. 用最大气泡压力法测定溶液表面张力的实验中, 体系开始密封后，微压差测量仪显示负数，是因为
（A）体系压力低于大气压 （B）体系压力高于大气
（C）体系压力和大气压平衡, （D）产生了负吸附
第三题、判断题
1. 乙醇-水溶液浓度与折光率为直线关系。
2. 乙醇---水溶液表面吸附对于浓度的变化曲线没有极大值。
3. 乙醇是表面活性物质。
4. 将少量水加入乙醇中，将发生负吸附。
5. NaCl水溶液在表面层的浓度高于其溶液本体浓度。
6. 判断题。垂直插入水中一支干净的玻璃毛细管,当在管中水上升至平衡液面处时加热,水柱会上升。
7. 最大气泡法测表面张力实验中，写出本实验所用的Gibbs吸附方程为
。
8. 最大气泡法测定表面张力时，最大压力差是曲率半径最大时。
9. 最大气泡法测定表面张力时，气泡逸出时，是曲率半径R和毛细管半径相等时。
10. 最大气泡法测定表面张力时，毛细管插入溶液内部一段距离不影响表面张力的测定。
第四题、简答题
1. 温度升高，溶液的表面张力升高还是降低？
2. 最大气泡法测表面张力实验，吉布斯(Gibbs)吸附方程
，表面吸附量
的意义是什么？
3. 最大气泡法测定表面张力时，为什么要读最大压力差？
4. 最大气泡法测表面张力所用毛细管的要求是什么？
5. 最大气泡法测表面张力所用毛细管的半径太大或太小有什么不好？
6. 最大气泡法测表面张力中，毛细管尖端为何必须与液面相切？否则对实验有何影响？
7. 用最大气泡法测定溶液的表面张力的实验操作中, 为什么要求读出最大压力差?
什么是表面活性物质？请举几个例子。
8. 什么是非表面活性物质？请举几个例子。
9. 最大气泡法测表面张力实验中，什么是正吸附，什么是负吸附？
10. 最大气泡压力法测液体的表面张力实验时，某同学发现，当毛细管管端不是刚刚与液面相接触，而是插入液面一小段距离时，测得的 △h 偏高。因而该同学在讨论中说毛细管管端插入液体内部，将使测得的表面张力值偏高，你认为这一说法对吗？为什么？
11. 最大气泡法测表面张力实验中，写出本实验所用的Gibbs吸附方程。
12. 最大气泡法测表面张力实验中，毛细管不清洁对实验有什么样的影响？
13. 最大气泡法测表面张力实验中，毛细管插入液面太深以及没有与液面相切对实验结果有什么样的影响？
14. 最大气泡法测表面张力实验中，分析本实验误差产生的几个主要来源，
15. 最大气泡法测表面张力实验中，微压差测量仪在什么情况下校零，ΔP指的是什么？
16. 最大气泡法测表面张力实验中，实验过程中毛细管出双泡或者多泡对实验结果有什么样的影响？
17. 最大气泡法测表面张力实验中，实验过程中气泡出的太快对实验结果有什么样的影响？
18. 测定表面张力的其它方法还有什么？
19. 最大气泡法的优缺点？
20. 吸附接近平衡时，能用Gibbs公式计算正丁醇的吸附量吗？