物理化学实验 最大气泡压力法测定溶液表面张力 C210 20##-04-12
T=286.15K P=85.02kPa
一、实验目的
1.掌握最大气泡法测定溶液表面张力的原理和方法
2.测水溶液的表面张力并计算定不同浓度正丁醇计算吸附量
3.加深对表面张力、表面自由能、表面张力和吸附量关系的理解
二、实验原理
处于溶液表面的分子,受到不平衡的分子间力的作用而具有表面张力s.
气泡最大压力法测定表面张力装置见实物；实验中通过滴水瓶滴水抽气使得体系压力下降，大气压与体系压力差△p逐渐把毛细管中的液面压至管口，形成气泡。 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，根据拉普拉斯公式得:附加压力达最大值ΔPmax =σ/rmin。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。
加入表面活性物质时 溶液的表面张力会下降,溶质在表面的浓度大于其在本体的浓度,此现象称为表面吸附现象;
单位溶液表面积上溶质的过剩量称为表面吸附量Γ, Γ=-(c/RT)*( dσ/dc).
对可形成单分子层吸附的表面活性物质，溶液的表面吸附量Γ与溶液本体浓度c之间的关系符合朗格谬尔吸附等温式: Γ=Γ∞*kc/1+kc
朗格谬尔吸附等温式的线性形式为: c/Γ=c/Γ∞+1/kΓ∞
Γ∞为饱和吸附时,单位溶液表面积上吸附的溶质的物质的量，则每个溶质分子在溶液表面上的吸附截面积为:Am=1/(NA*Γ∞)
三、仪器与试剂
恒温槽装置； 数字式微压差计；
抽气瓶l个； 表面张力测定仪
烧杯（1000mL）； T形管1个；
电导水；
正丁醇（A.R.）及其不同浓度的标准溶液；
四、实验步骤
1．仪器常数的测定
将表面张力测定仪清洗干净；在干净的表面张力测定仪中装入电导水，使毛细管上端塞子塞紧时，毛细管刚好与液面垂直相切；抽气瓶装满水，连接好后旋开下端活塞使水缓慢滴出；控制流速使气泡从毛细管平稳脱出（每个气泡4-6秒），记录气泡脱出瞬间数字微压差计的最大数值，取三次并求平均值。
2.测定正丁醇溶液的表面张力
用同样的方法测定不同浓度的正丁醇溶液的最大压差，由稀到浓依次测定；每个浓度的溶液测量前，表面张力测定仪和毛细管一起用该溶液荡洗二至三次；每份溶液恒温至少3－5min之后，开始读数。
3. 重复测定电导水的数据。
注意事项: 仪器系统不能漏气； 测定用的毛细管一定要洗干净，否则气泡可能不能连续稳定的流过，而使压差计读数不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗；毛细管端口一定要刚好垂直切入液面，不能离开液面，但亦不可深插；在数字式微压差测量仪上，应读出气泡单个逸出是的最大压力差；正丁醇溶液要准确配置，使用过程防止挥发损失；从毛细管口脱出气泡每次应为一个，即间断脱出；表面张力和温度有关，因此要等溶液恒温后再测量。
五、实验记录及数据处理
恒温槽温度298.25K
1. 查室温下水的表面张力 s( H2O ) (25℃、σH2O =71.97dyn/cm = 71.97mN/m) 计算仪器常数：
k=σ/ΔPmax=71.97e-3/5204=1.38297e-5m r=6.915e-6m
2. 利用计算机作s～c图，拟合曲线方程: 
3.求导得到d s /dc代入吉布斯方程可计算溶液表面吸附量Γ；
y=a+b*ln(1+c*x)
a=0.07203 b=-0.01715 c=0.00315
dσ/dc= dy/dx=bc/(1+c*x)= -0.01715*0.01631/(1+0.01631*x)
Γ=-(c/RT)*( dσ/dc)
4.再利用计算机作 c/Γ～ｃ图，拟合直线方程，由直线斜率可得饱和吸附量Γ∞= 1/A.计算出横截面积 A:
Γ∞=6.9186 e-6 mol*m-2
Am=1/(L*Γ∞)= 2.24e-19m2
六、思考题
1.本实验结果的准确与否关键决定于哪些因素？
仪器系统的气密性；测定用的毛细管是否干净，实验中气泡是否平稳流过；毛细管端口一定要刚好垂直切入液面，不能离开液面，但亦不可深插(1mm的水柱产生的压强约是10pa)；从毛细管口脱出气泡每次应为一个，即间断脱出；表面张力和温度有关，要等溶液恒温后再测量。
2.毛细管内径均匀与否对结果有无影响？
PsdV=σdAs dAs=8πRdR dV=4πR2dR Ps=2σ/R 曲率半径愈小，受到的附加压力愈大，曲率半径等于毛细管口半径时，附加压力最大，再测定的时毛细作用中吸入的液体的量与内径均匀程度有关，所以有影响。
3.气泡如出的很快或连续3－4个一齐出，对结果各有什么影响？毛细管尖端为何要刚好接触液面？
气泡出的很快，压强变化过快，压差计将不能很好的响应压强的变化；气泡连续出会导致压差计读数不稳定。离开液面将不会有气泡产生，
4.本实验 s－c图形应该是一怎样的图形？将所得的结果与手册上查到结果进行比较试分析产生误差的原因。
s－c图形应该是一条曲线，物质不同曲线不同
从毛细管口脱出气泡每次应为一个，控制的不是很好，测出的数据有16pa的偏差。
七、实验讨论
1.如果液面是弯曲，其表面的作用力不是水平的，将有一个合力，当液面为凸时，合力指向液体内部，当液面为凹时，合力指向液体外部，这就是附加压力的来源。由于附加压力而引起的液面与管外液面有高度差的现象称为毛细管现象。
2.毛细管清洁处理应特别的予以重视，热风吹干及电炉烘烤的办法应当避免，荡洗是好办法，但应尽量彻底。毛细管内部可借助洗耳球，但必须细心，不应使液体进入洗耳球内。
在实验中，按浓度从小到大的顺序测定，降低不同浓度溶液之间的影响。
3. 测定液体表面张力除气泡的最大压力法外，常用的还有毛细管上升法、滴重法等。
4. Γ>0 正吸附，Γ<0 负吸附，Γ=0 无吸附作用，
5.数据处理用不同的软件，得到的结果有一定的差别，Excel20##、20##、及WPS的拟合结果会有一点差别，更精确的数据处理软件是Origin和Matlab
6.实验中观察毛细管的半径是比较大的，在洗毛细管时不用洗耳球，液体就可流下，但计算得到的半径是r=6.915e-6m相当的小。
第二篇：物化-最大气泡压力法测定溶液的表面张力
宁波工程学院
物理化学实验报告
专业班级 姓名 序号 实验日期
同组姓名 指导老师
实验名称 最大气泡压力法测定溶液的表面张力
一、 实验目的
1、掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术；
2、通过对不同浓度乙醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能、表面张力和吸附量关系的理解。
二、 实验原理
1、在一定温度下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。
根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层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循吉布斯吸附等温式：
式中，Г为溶液在表层的吸附量，γ为表面张力，c为吸附达到平衡时的浓度。
根据朗格谬尔（Langmuir）公式：
为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的 Γ。
以c / Г 对c作图，则图中该直线斜率为1/Г∞ 。
由所得的Г∞代入
可求被吸附分子的截面积（L为阿伏伽德罗常数）。
2、本实验用气泡最大压力法测定溶液的表面张力，其仪器装置如图1所示：
图1、最大气泡压力法测量表面张力的装置示意图
1、恒温套管；2、毛细管（r在0.15～0.2mm）；3、U型压力计（内装水）；4、分液漏斗；5、吸滤瓶；6、连接橡皮管。
将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使毛细管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内的液面上受到一个比A瓶中液面上大的压力，当此压力差——附加压力（△P=P大气–P系统）在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管液体的表面张力时，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为：
式中，ΔP为附加压力，γ为表面张力，R为气泡的曲率半径。
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，这时的曲率半径R和毛细管的半径r相等，曲率半径最小值，根据上式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。
根据上式，R=r时的最大附加压力为：
实际测量时，使毛细管端刚与液面接触，则可忽略气泡鼓起所需克服的静压力，这样就可以直接用上式进行计算。
当将其它参数合并为常数K时，则上式变为：
式中仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得。
三、 实验仪器、试剂
1、仪器：最大泡压法表面张力仪1套，洗耳球1个，移液管(50mL和10mL)各一支，烧杯(500mL)。
2、药品：正丁醇(分析纯)，蒸馏水。
四、 实验步骤
1、仪器的准备与检漏
将表面张力仪容器和毛细管先用洗液洗净，再顺次用自来水和蒸馏水漂洗，烘干后按图5-9接好，检查是否漏气；
2、仪器常数的测定
调节液面与毛细管相切，并调节分液漏斗，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且速度控制在每分钟形成气泡5 ~10个（数显微压差测量仪为5 ~10s），当气泡刚脱离管端的一瞬间，压力计中液位差达到最大值，当显示的最大值比较稳定时，记下数据，重复调节2次并记下相应的数值。再由手册查出实验温度时水的表面张力，求得仪器常数K；
3、表面张力随溶液浓度变化的测定
在上述体系中，按浓度从高到低的顺序依次测定预先配好的正丁醇溶液的△p最大值，每次置换溶液前都先用溶液润洗2次，再按2步骤测定。
五、 数据记录与处理
实验温度：22.8 ℃；恒温槽温度：30.00 ℃；大气压力：100.62 KPa；γ水：71.18 mN /m
仪器常数K的测定
△p正丁醇的测定
图中曲线的γ-c的近似方程为 
∴
(其中c的单位为mol/L，γ的单位为mN/m。)
∵
∴
Γ- c图
c/Γ - c图
图中直线的斜率k为137.5785×103 m3/mol；
∴
∴
六、 注意事项
1、仪器系统不能漏气；
2、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；
3、读取压力计的压差时，应取单个逸出时的最大压力差。
七、 结果与讨论
在Γ/c - c图中，前面部分呈现较好的正比线性关系，后面部分与前面部分相差较大，可能是实验过程中更换正丁醇溶液时未能完全润洗造成溶液浓度有差异。
八、 思考题
1、毛细管尖端为何必须调节得恰与液面相切？否则对实验有何影响？
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、最大气泡法测定表面张力时为什么要读取最大压力差？如果气泡逸出的很快，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：
。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。