实验五 最大泡压法测定溶液的表面张力(晏威)

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1、实验五最大泡压法测定溶液的表面张力一、实验目的1．用气泡最大压力法测定乙醇的表面张力，并计算溶液在某一浓度时的表面吸附量和乙醇分子的横截面积。2．熟悉数字压力计的使用方法。二、实验原理1.表面自由能任何液体都有自动缩小表面积以降低体系能量的趋势，恒温恒压下若液体的表面积增加ΔA则要对体系作的非体积功为W，有-W=σΔA(1)式(1)中σ为液体的比表面自由能或表面张力，单位为J·m–2或N·m–1。σ是液体自动缩小表面积趋势大小的标志，在恒温、恒压、体系组成和液体表面气氛确定的条件下它具有确定值。2.溶液的表面吸附和溶质分子的横截面积当向纯溶剂中加入能降低表面张力的溶质时，根据能量最低

2、原理，溶剂表面层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，若溶质能使溶剂表面张力升高，则溶质在表面层中的浓度比溶液内部低，这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象称为溶液的表面吸附。恒温恒压下，溶液的表面吸附量与溶液的表面张力及溶质在溶液中的浓度之间的关系式，即吉布斯(Gibbs)吸附等温式为（2）式中：Г-代表溶质在单位面积表面层中的吸附量(mol·m-2)c-代表平衡时溶液浓度(mol·L-1)R-气体常数(8.314J·mol－1·K－1)T-吸附时的温度(K)。从(2)式可看出，在一定温度时，溶液表面吸附，与平衡时溶液浓度C和表面张力随浓度变化率成正比关系。当＜0时，Г＞0表示溶液表面张力

3、随浓度增加而降低，则溶液表面发生正吸附，此时溶液表面层浓度大于溶液内部浓度。当＞0时，Г＜0表示溶液表面张力随浓度增加而增加，则溶液表面发生负吸附，此时溶液表面层浓度小于溶液内部浓度。为了获得表面吸附量Γ，可先测定不同浓度溶液的表面张力，作σ—c曲线图，如图1所示。在曲线上任选一点作切线，则可得该点对应浓度的斜率，由式(2)可求得此浓度下溶液的表面吸附量Γ。再作Γ—c图，如图2所示，外推可在纵轴上得到溶液表面的饱和吸附量Γ∞。则每个溶质分子在溶液表面所占据的截面积SB为（3)式(3)中L为阿伏加德罗常量。图1表面张力对浓度图图2表面吸附量对浓度图3.最大泡压法液体表面张力的测定方法有

4、：最大泡压法、毛细管升高法、滴重法和圆环法等。本实验用最大泡压法测定正丁醇水溶液的表面张力，其装置如图3所示。由与液面相切的毛细管4鼓出空气泡时，需要高出外部大气压的附加压力以克服气泡的表面张力，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（4）式中Δp为附加压力，σ为表面张力，r是气泡曲率半径。如果毛细管半径R'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，此时曲率半径r与毛细管半径R'相等，曲率半径达到最小值，由式(4)知，此时附加压力达最大。当气泡进一步增大时，r变大，附

5、加压力则变小，直到气泡逸出。则由式(4)知，当r＝R'时最大附加压力为有（5）实际测量时，使毛细管顶端刚与液面接触，则可忽略鼓泡所需克服的静压力，这样就可直接用式(5)进行计算。由于直接测量毛细管的半径很不方便，所以实验时用一已知表面张力0σ的液体测定毛细管常数K，则待测液体的表面张力（6）式中σ为待测液体的表面张力；ΔPmax为待测液体的最大附加压力；ΔP0为表面张力为σ0的已知液体的最大附加压力。ΔP与ΔP0均可通过实验测定。三、仪器和药品仪器：精密数字压力计表面张力组合实验装置SWQ智能数字恒温控制器水浴恒温槽一套吸管烧杯（100ml）吸量管（10ml）量筒（50ml）玻璃棒阿

6、贝折光仪擦镜纸药品：乙醇（AR）蒸馏水四、实验步骤1．装置仪器按图5-3装置好仪器，取一定体积的蒸馏水注入测定瓶中，调节毛细管的位置，使毛细管的端面刚好与液面相切。2．测定仪器常数慢慢打开滴液漏斗活塞．使水缓慢滴下，当压力增加到一定程度，即有气泡逸出。调节水的滴出速度，使气泡由毛细管口成单泡逸出，速度以1min8-12个气泡为宜，从压力计上读出气泡刚脱离毛细管口那一瞬间的最大压力差，重复族3次，取共平均值。3．测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力取下带有毛细管的恒温瓶塞子，洗净毛细管，再用电吹风吹干，移取一定体积的0.02mol/L正丁醇水溶液注入测定瓶中，如步骤2操作。然后依次加入0.

7、05mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L、0．5mol/L的正丁醇溶液，按步骤2、3测出四种不同浓度正丁醇溶液△Pmax，并记录数据。五、数据处理及处理1、将实验数据填入下表：室温：30℃表1不同浓度的正丁醇△Pmax(Pa)及表面张力γ正丁醇的浓度（mol/L）△Pmax（×103Pa）平均值（×103Pa）表面张力γ(N·m-1）00.020.050.10.20.5表2表面张力γ与正丁醇浓度C曲线图表3取表2中的10个点，求出dγ/dc值及Г