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1、
寧 波 工 程 學(xué) 院
物理化學(xué)實驗報告
專業(yè)班級 姓名 序號
同組姓名 指導(dǎo)老師
實驗日期
實驗名稱 最大氣泡壓力法測定溶液的表面張力
一、實驗?zāi)康?
1.掌握最大氣泡壓力法測定表面張力的原理和技術(shù)。
2.通過對不同濃度乙醇溶液表面張力的測定,加深對表面張力、表面自由
2、能、表面張力和吸附量關(guān)系的理解。
二、實驗原理
1、 表面濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的表面吸附。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之間的關(guān)系遵循吉布斯吸附等溫式:
Γ = –(c/RT)*(dγ/dc) ①
式中,Г為溶液在表層的吸附量;γ為表面張力;c為吸附達(dá)到平衡時溶液在介質(zhì)中的濃度。
根據(jù)朗格謬爾(Langmuir)公式:
Γ =Γ∞Kc/(1+Kc) ②
?!逓轱柡臀搅?,即表面被吸附物鋪滿一層分子時的?!?
3、 c/Γ =(1+Kc)/(?!轐) = c/?!蓿?/?!轐 ③
以c/Г對c作圖,則圖中該直線斜率為1/Г∞。
由所得的Г∞代入Am=1/Г∞L可求被吸附分子的截面積(L為阿伏伽德羅常數(shù))。
2、 本實驗用氣泡最大壓力法測定溶液的表面張力,其儀器裝置如圖1所示:
圖1、最大氣泡壓力法測量表面張力的裝置示意圖
1、 恒溫套管;2、毛細(xì)管(r在0.15~0.2mm);3、U型壓力計(內(nèi)裝水);4、分液漏斗;5、吸濾瓶;6、連接橡皮管。
將待測表面張力的液體裝于表面張力儀中,使毛細(xì)管的
4、端面與液面相切,液面即沿毛細(xì)管上升,打開抽氣瓶的活塞緩緩抽氣,毛細(xì)管內(nèi)的液面上受到一個比A瓶中液面上大的壓力,當(dāng)此壓力差——附加壓力(△P=P大氣–P系統(tǒng)),附加壓力與表面張力成正比,與氣泡的曲率半徑成反比,其關(guān)系式為:
ΔP=2γ/R ④
式中,ΔP為附加壓力;γ為表面張力;R為氣泡的曲率半徑。
根據(jù)上式,R=r時的最大附加壓力為:
ΔP最大= 2γ/r ⑤
實際測量時,使毛細(xì)管端剛與液面接觸,則可忽略氣泡鼓起所需克服的靜壓力,這樣就可以直接用上式進(jìn)行計算。
當(dāng)將其它參數(shù)合并為常數(shù)K時,則上式變?yōu)?/p>
5、:
γ=KΔP最大 ⑥
式中儀器常數(shù)K可用已知表面張力的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測得。
三、儀器藥品
1、儀器:最大泡壓法表面張力儀1套,洗耳球1個,移液管(50ml和10ml)各一支,燒杯(500mL)。
2、藥品:正丁醇(分析純),蒸餾水。
四、實驗步驟
1、儀器的準(zhǔn)備與檢漏
將表面張力儀容器和毛細(xì)管先用洗液洗凈,再順次用自來水和蒸餾水漂洗,烘干后按圖5-9接好,檢查是否漏氣。
2、儀器常數(shù)的測定
調(diào)節(jié)液面與毛細(xì)管相切,并調(diào)節(jié)分液漏斗,使氣泡由毛細(xì)管尖端成單泡逸出,且速度控制在每分鐘形成氣泡5~10個(
6、數(shù)顯微壓差測量儀為5~10s),當(dāng)氣泡剛脫離管端的一瞬間,壓力計中液位差達(dá)到最大值,當(dāng)顯示的最大值比較穩(wěn)定時,記下數(shù)據(jù),重復(fù)調(diào)節(jié)2次并記下相應(yīng)的數(shù)值。再由手冊查出實驗溫度時水的表面張力,求得儀器常數(shù)K。
3、表面張力隨溶液濃度變化的測定
在上述體系中,按濃度從高到低的順序依次測定預(yù)先配好的正丁醇溶液的△P最大值,每次置換溶液前都先用溶液潤洗2次,再按2方法測定。
五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理
1、實驗數(shù)據(jù)的記錄
恒溫槽溫度
室溫
大氣壓
γ水
30℃
26.3℃
100.26KPa
71.1810-3N.m-1
濃度/moldm-3
水(0.00)
0.02
7、0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.16
0.20
0.24
Δp最大/pa
663.33
629.67
581.67
547.67
528.33
500
485.33
450.67
427.67
407.67
Δp最大,1/pa
662
632
582
547
526
499
486
451
429
409
Δp最大,2/pa
665
628
581
548
530
500
485
450
428
407
Δp最大,3/pa
663
629
582
548
529
501
485
8、
451
426
407
γ/mN/m
71.18
67.57
62.42
58.77
56.69
53.65
52.08
48.36
45.89
43.75
Г10-6molm-2
0
1.54
2.81
3.82
4.57
5.05
5.27
4.92
3.52
1.06
c/Г107 m-1
0
1.30
1.42
1.57
1.75
1.98
2.28
3.25
5.68
22.64
2、計算儀器常數(shù)K值
∵γ = KΔp
∴K=γ水/ΔP最大=0.07118/663.33=1.07310-4m
根
9、據(jù)K值得到一組γ值,γ= KΔp
以γ(N/m)--c (mol.m-3)作圖如下:
由上圖得,γ-c的關(guān)系式為γ=4.1520410-7c2-2.1030710-4c+0.07086
由此得 dγ/dc=8.3004810-7c-2.1030710-4,其中c的單位為mol.m-3
根據(jù)Γ = –(c/RT)*(dγ/dc) 便可求出不同濃度下的Γ 和c/Γ ,結(jié)果見上表
3、繪制Γ-c等溫線
通過公式Γ = –(c/RT)*(dγ/dc)就得一組Γ。
以Γ10-6mol.m-2-- c /( mol.m-3)作圖如下:
Γ-c等溫線
10、
4、計算Am
c/Γ-c等溫線
從圖中得出:斜率1/?!?6.493*105
即Γ∞=1.540*10-6 molm-2
所以,Am=1/?!轑=1/(1.540*10-6*6.02*1023)
=10.787*10-19 m2
六、注意事項
1.儀器系統(tǒng)不能漏氣。
2.所用毛細(xì)管必須干凈、干燥,應(yīng)保持垂直,其管口剛好與液面相切。
3.讀取壓力計的壓差時,應(yīng)取單個逸出時的最大壓力差。
七、結(jié)果與討論
實驗結(jié)果與理論值較接近,誤差也在允許范圍內(nèi)。存在誤差的原因有:
1. 實驗過程中有時出現(xiàn)的氣泡為一連串,導(dǎo)致測得的值有偏差。
2. 所用的毛細(xì)管需要潤洗,在潤
11、洗過程中也有可能由于潤洗不徹底導(dǎo)致實驗誤差。
八、思考題
1.毛細(xì)管尖端為何必須調(diào)節(jié)得恰與液面相切?否則對實驗有何影響?
答:如果將毛細(xì)管末端插入到溶液內(nèi)部,毛細(xì)管內(nèi)會有一段水柱,產(chǎn)生壓力Pˊ,則測定管中的壓力Pr會變小,△pmax會變大,測量結(jié)果偏大。
2.最大氣泡法測定表面張力時為什么要讀取最大壓力差?如果氣泡逸出的很快,活幾個氣泡一齊出,對實驗結(jié)果有無影響?
答:如果毛細(xì)管半徑很小,則形成的氣泡基本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時,表面幾乎是平的,這時
曲率半徑最大;隨著氣泡的形成,曲率半徑逐漸變小,直到形成半球形,這時曲率半徑R和毛細(xì)管半徑r相等,曲率半徑達(dá)最小值,根據(jù)拉普拉斯(Laplace)公式,此時能承受的壓力差為最大:△pmax = p0 - pr = 2σ/γ。氣泡進(jìn)一步長大,R變大,附加壓力則變小,直到氣泡逸出。最大壓力差可通過數(shù)字式微壓差測量儀得到。如氣泡逸出速度速度太快,氣泡的形成與逸出速度快而不穩(wěn)定;致使壓力計的讀數(shù)不穩(wěn)定,不易觀察出其最高點而起到較大的誤差。
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