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1、化 學 化 工 實 驗 中 心物理化學實驗課件制 作 ： 張 躍 華 張 其 平 PHYSICAL CHEMISTRY） 最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 1、了解表面張力的性質(zhì)，表面自由能的意義及表面張力和吸附的關(guān)系 2、掌握一種測定表面張力的方法最大氣泡法 3、測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力，計算表面吸附量一 、 實 驗 目 的 PHYSICAL CHEMISTRY） （一）表面自由能（表面張力）u從熱力學的觀點來看，液體的表面縮小是一自發(fā)過程，這是使總的自由能減小的過程，如欲使液體產(chǎn)生新的表面S，就需對外做功，其大小與S成正比：-A=Su為液體的表面自由能，亦稱表
2、面張力（單位為Jm-2）。它表示了液體表面自動縮小趨勢的大小，其量值也液體的成分、溶質(zhì)的濃度、溫度及表面氣氛等因素有關(guān)。（二）溶液的表面吸附u純物質(zhì)表面層組成與內(nèi)部組成相同，因此純液體降低表面自由能的唯一方法是盡可能縮小其表面積。對于溶液，由于溶質(zhì)能使溶劑表面張力發(fā)生變化，因此可以通過調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的濃度來降低表面自由能。u根據(jù)能量最低原則，當溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力時，它在表面層中的溶質(zhì)濃度比溶液內(nèi)部的大；反之，溶質(zhì)使溶劑的表面張力升高時，它在表面層中的濃度比溶液內(nèi)部的濃度低，這種表面濃度和內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。二 、 實 驗 原 理最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的
3、表 面 張 力 PHYSICAL CHEMISTRY） u在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的表面張力及溶液的濃度有關(guān)，從熱力學方法可知它們之間的關(guān)系遵守吉布斯（Gibbs）方程：二 、 實 驗 原 理最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 TdcdRTc )( 式中： 為吸附量（molm-2）；T為絕對溫度（K）；c為溶液濃度（molL-1）；R為摩爾氣體常數(shù)。l當 0, 稱為負吸附；l當 0 時， 0, 稱為負吸附。 Tdcd )（Tdcd )（ PHYSICAL CHEMISTRY） 二 、 實 驗 原 理最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 u有
4、些物質(zhì)溶入溶劑以后，能使溶劑的表面張力顯著降低，這類物質(zhì)被稱為表面活性物質(zhì)。工業(yè)和日常生活中被廣泛使用的去污劑、乳化劑、潤濕劑以及起泡劑等等都是表面活性物質(zhì)。u以表面張力對濃度作圖，可得到-c曲線，開始隨濃度增加而迅速下降，以后的變化比較緩慢。在-c曲線上任選一點作切線，即可得該點所對應濃度的斜率 。Tdcd )（u本實驗采用最大氣泡法測定乙醇水溶液的表面張力，通過乙醇水溶液的表面張力和濃度的關(guān)系求出表面吸附量，儀器裝置如圖： PHYSICAL CHEMISTRY） 二 、 實 驗 原 理最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 u將待測溶液裝入大試管中，使毛細管與的端面與溶液相
5、切，液面即沿毛細管1上升，打開抽氣瓶3的活塞抽氣，毛細管內(nèi)的液體受到比大試管4內(nèi)較大的壓力，當此壓力差在毛細管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細管中液體的表面張力時，氣泡就從毛細管中被壓出，這個最大壓力差值可由U型壓力計2讀出：Pmax =hg 式中h為U型壓力計兩邊讀數(shù)之差；g為重力加速度，為壓力計內(nèi)液體的密度。另一方面，當氣泡在毛細管內(nèi)逐漸長大時，其曲率半徑逐漸變小，氣泡達到最大時便會破裂，此時曲率半徑最小，等于毛細管半徑R。這時氣泡能承受的壓力最大，為2/R，它應等于Pmax； hg=2/R，即 = hgR/2 若用同一支毛細管，同一壓力計，對兩種具有表面張力 1，2的液體而言，則有下列關(guān)系式
6、：1 = h1gR/2；2 = h2gR/2 PHYSICAL CHEMISTRY） 二 、 實 驗 原 理最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 u如2為已知，則 ，故 2121 hh 1221 hh 用已知表面張力為2的液體作為標準，用上式即可求得其它液體的表面張力，2/h2作為儀器常數(shù)K。溶液濃度的測定應用折光率與組成的對應關(guān)系，首先測定一系列已知濃度溶液的折光率，作出折光率和濃度的工作曲線，然后測定待測溶液的折光率，即可在工作曲線上求出其濃度。 PHYSICAL CHEMISTRY） 三 、 實 驗 儀 器 和 藥 品表面張力儀阿貝折光儀小燒杯無水乙醇最 大 泡 壓 法
7、 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 PHYSICAL CHEMISTRY） 四 、 實 驗 步 驟首先將預先洗凈的表面張力儀大試管（包括毛細管）放入恒溫槽中恒溫，然后將抽氣瓶中加入水，到與側(cè)面支管相齊為止，在大試管中注入蒸餾水，并使液面正好與毛細管相切，調(diào)節(jié)恒溫槽中大試管的位置，使大試管垂直放置。然后打開抽氣瓶活塞，使盛在管中的水緩慢流出而使系統(tǒng)內(nèi)逐步減壓，這樣，在氣泡脫出的一瞬間，可以很容易地讀出U形壓力計內(nèi)液面的高度。當氣泡形成的頻率穩(wěn)定時（約每分鐘20個氣泡），就注意壓力計兩邊的高度，記錄壓力兩邊最高和最低讀數(shù)三次，求其平均值，即可求出儀器常數(shù)K。測定乙醇溶液表面張力與濃度的關(guān)系u以同
8、樣方法將大試管中換以不同濃度的乙醇溶液，測出不同的壓力差，再用公式求出表面張力。u乙醇水溶液的濃度由阿貝折光儀測定。最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 PHYSICAL CHEMISTRY） 五 、 數(shù) 據(jù) 處 理（一）數(shù)據(jù)表 此表作為參考，根據(jù)實際需要變更 最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 室溫：大氣壓：MPa蒸餾水 N/m h mm 乙醇溶液序號h/mm N(折光率) C(濃度)12345678表1 乙醇溶液的濃度與表面張力的關(guān)系 PHYSICAL CHEMISTRY） 五 、 數(shù) 據(jù) 處 理（一）數(shù)據(jù)表 此表作為參考，根據(jù)實際需要變更 最 大 泡
9、 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 表2 乙醇溶液 的濃度與表面吸附量的關(guān)系序號c (d/dc)T 12345678910 PHYSICAL CHEMISTRY） 五 、 數(shù) 據(jù) 處 理最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 （二）用坐標紙，作折光率對乙醇濃度的工作曲線，從工作曲線上查找乙醇溶液的濃度。（三）根據(jù)不同乙醇溶液用表面張力儀所測得的壓力差，計算不同乙醇溶液的表面張力。（四）用坐標紙，作表面張力對乙醇濃度的關(guān)系曲線，在曲線上取10-15個點作曲線的切線求的各點的切線斜率 ，又斜率計算表面吸附量。（五）用坐標紙，作 的關(guān)系曲線，求的飽和吸附量 。 T)dcd(
10、 cc PHYSICAL CHEMISTRY） 六 、 注 意 事 項（一）一定要把大試管及毛細管洗干凈，溶液和毛細管要相切（二）毛細管和液面要垂直，出泡不可太快（三）讀取壓力計的最大氣泡Pmax時，應是氣泡逸出時的最大壓力差，應保持體系密封最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 PHYSICAL CHEMISTRY） 七 、 思 考 題（一）為什么毛細管端應與液面相切？（二）毛細管潔凈與否對所測數(shù)據(jù)有何影響？（三）為什么壓力計中盛水或乙醇而不放汞？（四）滴液速度過快或過慢對實驗有何影響？為什么？最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 PHYSICAL CHEMISTRY） 八 、 附 錄最 大 泡 壓 法 測 定 溶 液 的 表 面 張 力 不同溫度下水的表面張力t/ /10-3N/m t/ /10-3N/m0 75.64 21 72.595 74.92 22 72.4410 74.22 23 72.2811 74.07 24 72.1312 73.93 25 71.9713 73.78 26 71.8214 73.64 27 71.6615 73.49 28 71.50 16 73.34 29 71.3517 73.19 30 71.1818 73.05 35 70.3819 72.90 40 69.5620 72.75 45 68.74
大泡壓法測定溶液的表面張力
