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實驗十四表面張力的測定

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1、實驗十四 表面張力的測定 (最大氣泡壓力法測定溶液的表面張力),實驗?zāi)康募耙?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、表面自由能和表面吸附量關(guān)系的理解。 3.測定不同濃度乙醇溶液的表面張力, 計算吸附量。,實驗原理,在液體的內(nèi)部任何分子周圍的吸引力是平衡的。可是在液體表面層的分子卻不相同。因為表面層的分子,一方面受到液體內(nèi)層的鄰近分子的吸引,另一方面受到液面外部氣體分子的吸引,而且前者的作用要比后者大。因此在液體表面層中,每個分子都受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡力(如圖l所示)。,圖1 分子間作用力示意圖,這種吸引

2、力使表面上的分子向內(nèi)擠,促成液體的最小面積。要使液體的表面積增大就必須要反抗分子的內(nèi)向力而作功增加分子的位能。所以說分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能,這位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A,或增大一平方米所引起的表面自由能的變化值G,稱為單位表面的表面能其單位為J.m-2;而把液體限制其表面及力圖使它收縮的單位直線長度上所作用的力,稱為表面張力,其單位是N.m-1。,液體單位表面的表面能和它的表面張力在數(shù)值上是相等的。欲使液體表面積增加S時,所消耗的可逆功A為:,液體的表面張力與溫度有關(guān),溫度愈高,表面張力愈小。到達臨界溫度時,液體與氣體不分,表面張力趨近于零。液體的表

3、面張力也與液體的純度有關(guān)。在純凈的液體(溶劑)中如果摻進雜質(zhì)(溶質(zhì)),表面張力就要發(fā)生變化,其變化的大小決定于溶質(zhì)的本性和加入量的多少。,(1),當(dāng)加入溶質(zhì)后,溶劑的表面張力要發(fā)生變化。根據(jù)能量最低原理,若溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力,則表面層溶質(zhì)的濃度應(yīng)比溶液內(nèi)部的濃度大;如果所加溶質(zhì)能使溶劑的表面張力增加,那么,表面層溶質(zhì)的濃度應(yīng)比內(nèi)部低。這種現(xiàn)象稱為溶液的表面吸附。用吉布斯公式(Gibbs)表示:,式中:為表面吸附量(mol.m-2),為表面張力(J.m-2)。,(2),0,溶質(zhì)能降低溶劑的表面張力,溶液表面層的濃度大于內(nèi)部的濃度,稱為正吸附作用。,(1),(2),0,<0,溶質(zhì)能增加溶劑的

4、表面張力,溶液表面層的濃度小于內(nèi)部的濃度,稱為負吸附作用。,根據(jù)式(2),通過測定溶液的濃度隨表面張力的變化關(guān)系可以求得不同濃度下溶液的表面吸附量。,如圖2 是最大氣泡法測定表面張力的裝置。待測液體置于支管試管中,使毛細管端面與液面相切,液面隨時毛細管上升。打開滴液漏斗緩慢抽氣。此時,由于毛細管液面所受壓力大于支管試管液,圖2 最大氣泡法表面張力測定裝置 1-滴液漏斗,2-支管試管,3-毛細管,4-恒溫槽,5-壓差計,面所受壓力,毛細管液面不斷下降,將從毛細管緩慢析出氣泡。如圖3 所示。在氣泡形成的過程中,由于表面張力的作用,凹液面產(chǎn)生一個指向液面外的附加壓力P,因此有以下關(guān)系:,附加壓力與表

5、面張力成正比,與氣泡的曲率半徑R成反比。,(4),圖3 氣泡形成過程,P大氣 = P系統(tǒng) + P (3),若毛細管管徑較小,則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時,由于表面幾乎是平的,所以曲率半徑R極大;當(dāng)氣泡形成半球形時,曲率半徑R等于毛細管半徑r,此時R值最小。隨著氣泡的進一步增大,R又趨增大,直至逸出液面。R=r時,附加壓力最大:,(5),氣泡由毛細管口溢出的總作用力為 等于氣泡在管口受到的表面張力 如將表面張力為1 , 2的兩種 液體采用同一種毛細管測量,則有:,由已知表面張力的水為標(biāo)準(zhǔn),可求出其他液體的表面張力,(7),(6),實驗中測出不同濃度乙醇水溶液的表面張力,以表面張力對濃度作

6、圖得到一條曲線,從曲線中可以求出不同濃度時的,代入Gibbs吸附公式可計算出吸附量,吸附量與濃度之間的關(guān)系可以用Langmuir等溫吸附方程式表示:,(8),式中,為飽和吸附量,k為經(jīng)驗常數(shù)。將上式整理得:,(9),以c/對c 作圖可得到一條直線,其斜率的倒數(shù)為。,儀器與試劑,最大氣泡表面張力測定儀; 數(shù)字微壓差計; 蒸餾水; 乙醇(AR);,實驗步驟和數(shù)據(jù)處理,1. 連接好測定裝置,用已知表面張力的水,測定出最大壓差,查出相應(yīng)溫度時的水的表面張力值,計算出儀器常數(shù)K的值。 2. 分別測定濃度為0.02/0.05/0.10/0.15/0.20mol/l的乙醇水溶液的最大壓差,根據(jù)儀器常數(shù)計算出表面張力值。 3. 做乙醇表面張力與濃度的關(guān)系曲線 由關(guān)系曲線分別求出濃度為 0.05/0.10/0.15/0.20/0.25mol/l時的,4.利用Gibbs吸附公式計算出各濃度下的吸附量,做C/與C的圖得一條直線,斜率為1/,

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