溶液表面张力的测定最大气泡压力法.docx
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溶液表面张力的测定最大气泡压力法
一、实验目的
1、用最大气泡法测定不同浓度乙醇溶液的表面张力。
2、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。
3、学会镜面法作切线的方法。
二、实验原理
1、用本法测定[乙醇,水]溶液的数据对[σ,c],作图将c-σ曲线在不同浓度的斜率T代入吉布斯等温吸附式:
Γ=﹣
T
(1)
求出相应的吉布斯吸附量Γ;
按朗格茂尔等温吸附变形公式:
(2)
以c/Γc-c直线斜率tgβ求出饱和吸附量,进而得出乙醇分子横切面积S和分子长度,结合直线截距得出吸附系数α:
=(tgβ)-1(3)
以上个式中,c为浓度;T为绝对温度(K);σ为表面张力;Γ为吉布斯吸附量;M为溶质摩尔质量;ρ为溶质密度;S为分子截面积;δ为分子长;α为吸附系数;NA为阿伏伽德罗数(6.02×1023/mol);R为气体常数。
为了求以上参数,关键是测σ。
2、表面张力及界面张力,矢量。
源于凝聚相界面分子受力不平衡,意为表面的单位长度收缩力。
σ也是在个条件下凝聚系表面相得热力学强度性质,如果恒温、恒压下扩大单位表面积所需的可逆功,故亦称为表面自由焓。
σ与凝聚相和表面共存接触相种类有关,还与T,P有关,与凝聚相纯度和杂志种类有关。
浓度升高,溶液的σ有增有减,随溶质、溶剂而异,表面活性剂是两亲分子,他们的水溶液σ随浓度升高先剧降,后微升,在渐趋稳定。
σ随c而变化的本质是溶液表面浓度对体相浓度的偏离,此现象称为表面吸附。
表面吸附量Γ与浓度有关,用吉布斯等温吸附方程
(1)求出
为σ-c曲线在指定浓度的斜率。
<0,Γ>0为正吸附,表面浓度较体浓度高,达饱和吸附时,Γ趋于饱和吸附量
,此时两亲分子在溶液表面处于高度有序的竖立密集,形成单分子膜。
,
若将兰格缪尔等温吸附式中的吸附量赋予吉布斯吸附量的特定意义,则可从其变形式求出设分子吸附层厚δ,δ即两亲分子长。
依δ*ρ=*M,由此得出求分子的式子
(2)。
3、δ的测定方法有环法、滴重法、毛细管上升法等,其中最大气泡法设备简单,易操作,应用广。
此法是将下口齐平的毛细管垂直插入试液,并使管口刚与液面相切,则可看到在毛细管内形成凹液面。
凹液面受力一是大气压,二是附加压力,因此凹液面受到的总压是p1=p0+△p=p0+2σ/r.
现对管外减压,随管外压力p2=p0+ρg△h减小,|△h|增大,|r|减小,p1随p2同步减小,故p2=p1,得:
σ=rgρ△h/2
由于减压凹液面不断下降,r为不定值,但当凹液面上形成的小气泡降至毛细管下口,并随时气流的瞬间,|r|降至极小,刚等于毛细管下口内径,此时△h升至最大。
若在微微减压。
气泡逸出,△h剧降,r为定值,所以只要测出最大的|△h|,即可用上式求出σ。
由于r一定。
故rgρ/2为定值,称仪器常数K,可用纯水的σ和同条件下实验测得的△h求出。
故:
σ=K*△h=σ0*△h/△h0
溶液浓度c用折射仪测出。
三、仪器药品
仪器:
蓄水瓶,毛细管,试管,烧杯,U型水柱压力计,温度计,分液漏斗表面张力仪一套
药品:
乙醇溶液:
5%,10%,20%,30%,40%,50%
四、实验步骤
1、按下图安装好实验仪器,检查仪器是否漏气,检查方法如下:
由分液往蓄水瓶中注水,是压力计产生一定的压力差,停止加水,如果压力计维持3~5分钟不变,可认为不漏气。
2、仔细用热的铬酸洗液洗涤毛细管。
3、毛细管常数的测定:
在清洁的试管中加入约1/4体积的蒸馏水,装上清洁的毛细管,是端面恰好与液面相接,打开分液漏斗,使水缓缓滴出,以增加毛细管内压力,使气泡冒出,观察冒出的速度与压力的关系,调节气泡逸出速度不超过每分钟20个,如此三次,若每次得△h,差别在2mm以内,取平均值,求K。
否则重复步骤2,然后再测。
4、乙醇溶液表面张力的测定:
将试管中的水倒出,用待测溶液洗涤试管和沾洗毛细管(尖端沾取待测液,然后用耳洗球吹掉内溶液)3次,在试管中装入待测溶液,用上述方法快速测定浓度为5%,10%,20%,30%,40%,50%的乙醇溶液压力差△h,都测三次取平均值。
五、实验数据及处理
1、不同浓度的乙醇溶液的压力差
乙醇溶液
次数
h高
h低
Δhn
Δh
0%
1
18.40
12.10
6.30
6.18
2
18.35
12.20
6.15
3
18.30
12.20
6.18
5%
1
18.26
13.06
5.20
5.12
2
18.24
13.14
5.10
3
18.20
13.08
5.12
10%
1
18.00
13.50
4.50
4.49
2
17.90
13.50
4.40
3
18.10
13.60
4.50
20%
1
17.50
13.55
3.95
3.98
2
17.45
13.45
4.00
3
17.40
13.60
3.80
30%
1
17.20
13.80
3.40
3.33
2
17.10
13.70
3.40
3
16.90
13.50
3.30
40%
1
16.70
14.00
2.70
2.73
2
16.60
13.80
2.80
3
16.50
13.80
2.70
50%
1
16.70
14.30
2.40
2.40
2
16.60
14.20
2.40
3
16.50
14.10
2.40
2、将实验记录的数据用表格列出
体积分数
浓度c
(mol/L)
Δh
(cm)
σ
×10-3(N/m)
Г(mol/m2)
×10-6
c/Г
(N.m/mol)×106
5%
0.8576
5.12
60.52
5.1846
0.1654
10%
1.7152
4.49
53.07
6.1554
0.2786
20%
3.4304
3.98
47.04
4.9822
0.6885
30%
5.1457
3.33
39.36
9.5177
0.5406
40%
6.8609
2.73
32.27
11.7161
0.5856
50%
8.7561
2.40
28.37
7.4437
1.1763
3、不同百分比下的乙醇溶液的浓度
当T=18℃时ρ乙醇=0.7902Kg/m3M乙醇=46.07
则c乙醇=1000ρ乙醇*ω/M乙醇=17.1522ω
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.05=0.8576mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.10=1.7152mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.20=3.4304mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.30=5.1457mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.40=6.8609mol/L
当ω=5%时c乙醇=17.1522*0.50=8.7561mol/L
4、利用水的表面张力求毛细管常数k
由表1知蒸馏水:
△h=6.18cm查表得:
σ水=73.078×10-3N/m
所以:
=
×10-3=1.182N/m2
5、计算各浓度乙醇溶液的表面张力。
计算举例:
5%的乙醇溶液
5%σ1=K×△h1=1.182×0.0512=60.52×10-3N/m
10%σ2=K×△h2=1.182×0.0449=53.07×10-3N/m
20%σ3=K×△h3=1.182×0.0398=47.04×10-3N/m
30%σ4=K×△h4=1.182×0.0333=39.36×10-3N/m
40%σ5=K×△h5=1.182×0.0273=32.27×10-3N/m
50%σ6=K×△h6=1.182×0.0240=28.37×10-3N/m
6、作σ-c图。
由σ-c图可以指定浓度的斜率
T及Г
求指定浓度的斜率
T
当c乙醇=0.8576mol/L
T=
=-14.5989*10-3
当c乙醇=1.7152mol/L
T=
=-8.6870*10-3
当c乙醇=3.4304mol/L
T=
=-3.5156*10-3
当c乙醇=5.1457mol/L
T=
-4.4773*10-3
当c乙醇=6.8609mol/L
T=
=-4.1336*10-3
当c乙醇=8.7561mol/L
T=
=-2.0578*10-3
7、根据指定浓度的斜率
T求Г及c/Г
由吉布斯等温吸附式Γ=﹣
T可求出Г
当c乙醇=0.8576mol/L
Г1=-
*(-14.5989*10-3)=5.1846*10-6
c/Г=
0.8576/(5.1846*10-6)=0.1654*106
当c乙醇=1.7152mol/L
Г2=-
*(-8.6870*10-3)=6.1554*10-6
c/Г=
1.7152/(6.1554*10-6)=0.2786*106
当c乙醇=3.4304mol/L
Г3=-
*(-3.5156*10-3)=4.9822*10-6
c/Г=
3.4304/(4.9822*10-6)=0.6885*106
当c乙醇=5.1457mol/L
Г4=-
*(-4.4773*10-3)=9.5177*10-6
c/Г=
5.1457/(9.5177*10-6)=0.5406*106
当c乙醇=6.8609mol/L
Г5=-
*(-4.1336*10-3)=11.7161*10-6
c/Г=
6.8609/(11.7161*10-6)=0.5856*106
当c乙醇=8.7561mol/L
Г6=-
*(-2.0578*10-3)=7.4437*10-6
c/Г=
8.7561/(7.4437*10-6)=1.1763*106
8、作c/Г-c图,求Г∞
由图可看出直线的斜率tgβ=0.1028*106
由公式
=(tgβ)-1可得出
则
=(tgβ)-1=(0.1028*106)-1=
*10-6
=9.7276*10-6mol/m2
六、思考题
1、为什么液体的表面张力随温度升高而减小?
答:
同一种物质的表面张力因温度不同而异,当温度升高时物质的体积膨胀,分子间的距离增加,分子之间的相互作用减弱,所以表面张力一般随温度的升高而减小。
2、仪器的清洁与否对所测数据有无影响?
答:
有影响。
毛细管如果不清洁会影响气泡逸出的速度。
七、误差分析
1、实验装置气密性不好,影响压差计的读数。
2、毛细管没有用热的铬酸洗涤干净,这是实验的关键。
3、没有调节好气泡逸出的速度,气泡逸出速度太快每分钟超过30个,气泡逸出速度不均匀。
4、一次测量后没有用待测液洗试管和沾洗毛细管。
5、实验温度,溶液浓度对实验结果的影响。
八、心得体会
本实验是第一次没有老师讲解,自己和同组同学独立完成的物理化学实验,也是最后一次物理化学实验。
通过一年的物理化学实验,了解了许多的物理化学原理、想象,懂得了物理化学实验的基本操作和应注意的问题,实验时科学严谨的态度,更重要的是学会了用计算机处理实验结果。
这些将会对我经后的学习和工作有很大的帮助。
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- 溶液 表面张力 测定 最大 气泡 压力