实验十四 溶液中的吸附作用和
面张力的测定
——最大气泡压力法
Determination of Surface Tension Using Maxinum Bubble Pressure Method
1.实验目的与要求:
1)通过测定不同浓度(c)正丁醇水溶液的表面张力(σ),由σ-c曲线求溶液界面上的吸附量和单个正丁醇分子的横截面积(S0)。
2)了解表面张力的性质、表面能的意义以及表面张力和吸附的关系。
3)掌握一种测定表面张力的方法——最大气泡法。
2 .预习要求:
1)掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理。
2)了解影响表面张力测定的因素。
3)了解如何由表面张力的数据求正丁醇的横截面积。
3.实验原理:
1)物体表面的分子和内部分子所处的境况不同,因而能量也不同,如图12-1所示,表面层的分子受到向内的拉力,所以液体表面都有自动缩小的趋势。如要把一个分子由内部迁移到表面,就需要对抗拉力而作功,故表面分子的能量比内部分子大。增加体系的表面,即增加了体系的总能量。体系产生新的表面(△A)所需耗费功(W) 的量,其大小应与△A成正比。
- W=σ△A (12.1)
如果△A =l㎡,则- W=σ,即在等温下形成1㎡新的表面所需的可逆功。故σ称为单位表面的表面能,其单位为N·m-1。这样就把σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力,通常称为表面张力。它表示表面自动缩小的趋势的大小。表面张力是液体的重要特性之一,与所处的温度、压力、液体的组成共存的另一相的组成等有关。纯液体的表面张力通常指该液体与饱和了其自身蒸气的空气共存的情况而言。
图12-1 分子间作用力示意图
2)在纯液体情形下,表面层的组成与内部的组成相同,因此液体降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。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,Г—气-液界面上的吸附量(mol·㎡):
σ—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(8.314 J·mol-1·K-1)。
当
时,Г>O,称为正吸附。反之,
时,Г
记录最高值三次,求平均值而得△PH2O,根据手册查出25℃时水的表面张力为σ=71.97×10-3N·m-1,以σH2O /△PH2O=k,求出所使用的毛细管常数。
(2)不同浓度的正丁醇溶液表面张力的测定:
以0.8mol·dm-3浓度的正丁醇溶液为基准,分别准确配制0.020、0.040、0.060、0.08、0.10、0.12、0.15、0.20 mol·dm-3 的正丁醇溶液各100mL。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△P正丁醇。
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。
6.实验注意事项:
1)测定用的毛细管和恒温试管一定要先洗干净,玻璃不挂水珠为好,否则气泡可能不能连续稳定地通过,而使压力计的读数不稳定。
2)毛细管端口一定要刚好垂直切入液面,管口要和液面刚好接触,不能离开液面,但亦不可深插。
3)表面张力和温度有关,因此要等溶液恒温后再测量。
4)控制好出泡速度,从毛细管口脱出气泡每次应为一个,即间断脱出,读取压力计的压力差时,应取气泡单个逸出时的最大压力差。
5)正丁醇溶液要准确配置,使用过程防止挥发损失。
7.数据记录及处理:
室温: 大气压: 恒温槽温度:
σH2O: △PH2O: 毛细管常数K:
l)记录数据表格:
容量瓶编号
1
2
3
4
5
6
7
+8
正丁醇用量/ml
2.5
5
7.5
10
12.5
15
20
25
溶液浓度/mol·dm3
0.020
0.040
0.060
0.080
0.10
0.12
0.16
0.20
压差读数/Pa
正丁醇水溶液的σ
正丁醇水溶液的dσ/dc
正丁醇水溶液的Г
正丁醇水溶液的c/Г
2)作σ- c曲线(用Excel作图),求出曲线方程,求导数得一解析式,利用该式求出不同浓度时正丁醇水溶液的σ。
3)由
计算不同浓度的吸附量Г值,作Г~c图。
4)计算c/Г值,以c/Г~c作图,由直线斜率求出Г∞,(以mol·㎡表示)并计算S0和δ。
8.文献值