溶液中的吸附作用和表面张力的测定Word下载.docx
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对于溶液,由于溶质会影响表面张力,因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。
根据能量最低原理,溶质能降低溶液的表面张力时,表面层中溶质的浓度应比溶液内部大,反之,溶质使溶液的表面张力升高时,它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。
这种表面浓度与溶液里面浓度不同的现象叫“吸附”。
显然,在指定温度和压力下,吸附与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。
Gibbs用热力学的方法推导出它们间的关系式
=
(12-2)
式中,——气一液界面上的吸附量(mol·
m-2);
——溶液的表面张力(N·
m-1);
T——绝对温度(K);
c-溶液浓度(mol·
m-3);
R——气体常数(8.314J·
mol-1·
K-1)。
当
时,>
0,称为正吸附。
反之,
时,<
0,称为负吸附。
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。
表面活性物质具有显著的不对称结构,它是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成。
对于有机化合物来说,表面活性物质的极性部分一般为-NH3+,-OH,-SH,-COOH,-SO2OH。
而非极性部分则为RCH2-。
正丁醇就是这样的分子。
在水溶液表面的表面活性物质分子,其极性部分朝向溶液内部,而非极性部分朝向空气。
表面活性物质分子在溶液表面的排列情形随其在溶液中的浓度不同而有所差异。
当浓度极小时,溶质分子平躺在溶液表面上,如图11-2(a),浓度逐渐增加,分子排列如图11-2(b),最后当浓度增加到一定程度时,被吸附了的表面活性物质分子占据了所有表面形成了单分子的饱和吸附层如图11-2(c)。
正丁醇是一种表面活性物质,其水溶液的表面张力和浓度关系见图11-3中的-c曲线,在-c曲线上作不同浓度c时的切线,把切线的斜率B(
)代入Gibbs吸附公式,可以求出不同浓度时气-液界面上的吸附量。
在一定温度下,吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温方程式表示:
(12-3)
为饱和吸附量,K为经验常数,与溶质的表面活性大小有关。
将(3)式化成直线方程,则
(12-4)
若以
~C作图可得一直线,由直线斜率即可求出
。
假设在饱和吸附情况下,正丁醇分子在气-液界面上铺满一单分子层,则可应用下式求得正丁醇分子的横截面积S0。
11……(5)
式中,
-阿佛加德罗常数。
3、最大气泡压力法测量表面张力的装置示意图如11-4。
当表面张力仪中的毛细管截面与欲测液面相齐时,液面沿毛细管上升。
打开滴液漏斗的活塞,使水缓慢下滴而使体系内的压力增加,这时毛细管内的液面上受到一个比恒温试管中液面上稍大的压力,因此毛细管内的液面缓缓下降。
当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口溶液的表面张力时,气泡就从毛细管口逸出。
这个最大的压力差可由数字式微压差测量仪上读出。
图11-4最大气泡法测表面张力装置
1、恒温套管。
2、毛细管(r在0.15~0.2mm)
3、数字式微压差测量仪
4、分液漏斗。
5、塑料烧杯。
6、连接橡皮管。
如毛细管的半径为r,气泡由毛细管口逸出时受到向下的总作用力为r2P最大,而
P最大=P系统-P大气压=hg
式中,h-数字式微压差测量仪上的读数
g-重力加速度
-压力计内液体的密度
气泡在毛细管上受到表面张力引起的作用力为2r。
气泡自毛细管口逸出时,上述两种力看作相等,即:
11……(6)
若用同一只毛细管和压力计,在同一温度下,对两种溶液而言,则得:
11……(7)
式中
为毛细管常数。
用已知表面张力2的液体为标准,从(7)式可求出其他液体的表面张力1。
2、实验部分
1、仪器和药品:
超级恒温水浴1台数字式微压差测量仪1台
恒温套管1支毛细管(半径为0.15~0.2mm)1支
100mL容量瓶7个2mL移液管1支
250mL分液漏斗1个500mL塑料烧杯1个
正丁醇(分析纯)
2、实验步骤:
1、毛细管常数的测定:
按实验装置图装好仪器,打开恒温水浴,使其温度稳定于25℃。
取一支浸泡在洗液中的毛细管依次次用自来水、蒸馏水反复清洗若干次,同样把玻璃套管也清洗干净,加上蒸馏水,插上毛细管,用套管下端的开关调节液面恰好与毛细管端面相切,使样品在其中恒温10分钟。
在分液漏斗中加入适量的自来水,注意切勿使体系漏气。
然后调节分液漏斗下的活塞使水慢慢滴下,这时体系压力逐渐减小,直至气泡由毛细管口冒出,细心调节出泡速度,使之在5-10秒钟内出一个。
注意气泡爆破前数字式微压差测量仪的读数,并用电脑采集数据得到最大的压差值,求平均值而得
根据手册查出25℃时水的表面张力为=71.97×
10-3N·
m-1,以/h=K求出所使用的毛细管常数,此值控制在8cm左右为宜,否则毛细管太粗误差较大,毛细管太细,易堵塞,气泡很难逸出。
2、不同浓度的正丁醇溶液表面张力的测定:
用2mL移液管分别移取0.40ml、0.80ml、1.20ml、1.60ml、2.00ml、2.40ml、2.80ml正丁醇到100ml容量瓶中,然后稀释到刻度。
重复上述实验步骤,按照由稀至浓的顺序依次进行测量。
求得一系列浓度的正丁醇溶液的h。
?
本实验的关键在于溶液浓度的准确性和所用毛细管、恒温套管的清洁程度。
因此除事先用热的洗液清洗它们以外,每改变一次测量溶液必须用待测的溶液反复洗涤它们,以保证所测量的溶液表面张力与实际溶液的浓度相一致。
并控制好出泡速度、平稳地重复出现压力差。
而不允许气泡一连串地出。
洗涤毛细管时切勿碰破其尖端,影响测量。
温度对该实验的测量影响也比较大,实验中请注意观察恒温水浴的温度,溶液加入测量管后恒温10min后再进行读数测量。
3、数据处理与结果分析
1、毛细管常数的测定
实验所得压力差散点图如下:
(选取其中一部分点)
从图中读出纯水时
,又
查手册,
水的
故
=733/(997*9.8)=0.075m
所以毛细管常熟为
2、不同比例混合的正丁醇和水溶液表面张力的测定
不同比例的溶液压力差数据散点图如下:
(选取部分数据作图)
0.4mol正丁醇
压力差最大值
=648Pa
0.8mol正丁醇
=589Pa
1.2mol正丁醇
=545Pa
1.6mol正丁醇
=480Pa
2.0mol正丁醇
=464Pa
2.4mol正丁醇
=436Pa
2.80ml正丁醇
=415Pa
已知:
=KP
25
c时水的表面张力:
,
毛细管常数:
正丁醇的相对分子质量为74.12,相对密度为0.8098。
以0.4mol正丁醇溶液为例,
浓度C=0.4×
0.8098÷
74.12÷
0.1=0.0437mol/L
=648Pa,表面张力
其余计算同理,结果如下表:
实验编号
1
2
3
4
5
6
7
正丁醇用量ml
0.40
0.80
1.20
1.60
2.00
2.40
2.80
溶液浓度mol·
dm-3
0.0437
0.0874
0.1311
0.1748
0.2185
0.2622
0.3059
最大压差读数Pa
648
589
545
480
464
436
415
正丁醇水溶液的
0.06311
0.05862
0.5425
0.04778
0.04618
0.04340
0.04231
作
关系曲线
拟合曲线为σ=0.1851c2-0.1496c+0.0698
对c求微分有
又根据公式
可得
见下表
容量瓶编号
-0.13242
-0.11624
-0.10006
-0.08388
-0.06769
-0.05151
-0.03533
正丁醇水溶液的Γ
2.37E-06
4.17E-06
5.38E-06
6.02E-06
6.07E-06
5.54E-06
4.43E-06
c/Γ
18405.62
20967.83
24358.78
29058.09
36004.01
47313.66
68982.62
作c/Γ与c的关系曲线如下
得到
=4246.1+176583c
理论上有:
=1/K
=
m2
结果讨论:
从文献中查到正丁醇的横截面积为2.4×
10-19到3.2×
10-19m2
故所测得的结果基本符合要求,证明这种测量分子横截面积的方法是可行的,但存在一定误差。
误差分析:
1、对毛细管的清洁程度做的不太好,在实验过程中会经常出现出泡受阻和出泡不均匀现象。
这对最大压差的测量值的稳定性影响很大。
2、在测量过程中应该保证毛细管尖端与液面处同一高度,但实际操作时由于透过玻璃观察液面加上存在表面张力很难判断,难免会有毛细管略插入液面一些。
这使得测量的最大压差值不准确。
3、每次测量完一组溶液换另一组时要对毛细管进行清洗,但清洗完后会造成毛细管中有气泡,往往通过用洗耳球吹的方法将气泡排出,但这就会存在洗耳球中的一些杂质随气流通过毛细管时粘附在毛细管壁上(相当于毛细管未洗干净),这对测量结果也有较大影响。
4、在配置正丁醇溶液过程中移液、定容会有误差。
参考文献
物理化学(高等教育出版社第五版)
物理化学实验讲义中国科大
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- 关 键 词:
- 溶液 中的 吸附 作用 表面张力 测定