实验十四表面张力的测定.ppt
实验十四实验十四 表面张力的测定表面张力的测定（最大气泡压力法测定溶液的表面张力）（最大气泡压力法测定溶液的表面张力）实验目的及要求1.1.掌握最大气泡压力法测定表面张力的掌握最大气泡压力法测定表面张力的原理和技术。原理和技术。2.通过对不同浓度乙醇溶液表面张力的通过对不同浓度乙醇溶液表面张力的测定测定,加深对表面张力、表面自由能和表加深对表面张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解。面吸附量关系的理解。3.测定不同浓度乙醇溶液的表面张力，测定不同浓度乙醇溶液的表面张力，计算吸附量。计算吸附量。实验原理 在液体的内部任何分子周围在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的。可是在液体的吸引力是平衡的。可是在液体表面层的分子却不相同。因为表表面层的分子却不相同。因为表面层的分子，一方面受到液体内面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因而且前者的作用要比后者大。因此在液体表面层中，每个分子都此在液体表面层中，每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力（如图的不平衡力（如图l l所示）。所示）。图图1 1 分子间作分子间作用力示意图用力示意图 这种吸引力使表面上的分子向内挤这种吸引力使表面上的分子向内挤,促成液体的促成液体的最小面积。要使液体的表面积增大就必须要反最小面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功增加分子的位能。所以抗分子的内向力而作功增加分子的位能。所以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能，说分子在表面层比在液体内部有较大的位能，这位能就是表面自由能。通常把增大一平方米这位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最表面所需的最大功大功A，或增大，或增大一平方米所引起的一平方米所引起的表面自由能的变化值表面自由能的变化值G，称为单位表面的表，称为单位表面的表面能其单位为面能其单位为J.m-2；而把液体限制其表面及力；而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力，称图使它收缩的单位直线长度上所作用的力，称为表面张力，其单位是为表面张力，其单位是N.m-1。液液体体单单位位表表面面的的表表面面能能和和它它的的表表面面张张力力在在数数值值上上是是相相等等的的。欲欲使使液液体体表表面面积积增增加加S时时，所所消消耗耗的的可可逆逆功功A为：为：液液体体的的表表面面张张力力与与温温度度有有关关，温温度度愈愈高高，表表面面张张力力愈愈小小。到到达达临临界界温温度度时时，液液体体与与气气体体不不分分，表表面面张张力力趋趋近近于于零零。液液体体的的表表面面张张力力也也与与液液体体的的纯纯度度有有关关。在在纯纯净净的的液液体体(溶溶剂剂)中中如如果果掺掺进进杂杂质质(溶溶质质)，表表面面张张力力就就要要发发生生变变化化，其其变变化化的的大大小小决决定定于于溶溶质质的本性和加入量的多少。的本性和加入量的多少。(1)当加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化。当加入溶质后，溶剂的表面张力要发生变化。根据能量最低原理，若溶质能降低溶剂的表面张力，根据能量最低原理，若溶质能降低溶剂的表面张力，则表面层溶质的浓度应比溶液内部的浓度大；如果则表面层溶质的浓度应比溶液内部的浓度大；如果所加溶质能使溶剂的表面张力增加，那么，表面层所加溶质能使溶剂的表面张力增加，那么，表面层溶质的浓度应比内部低。这种现象称为溶液的表面溶质的浓度应比内部低。这种现象称为溶液的表面吸附。用吉布斯公式吸附。用吉布斯公式(Gibbs)Gibbs)表示：表示：式中：为表面吸附量式中：为表面吸附量(mol.mmol.m-2-2)，为表面张力（为表面张力（J.mJ.m-2-2）。）。(2)000，溶质能降低溶剂的表面张溶质能降低溶剂的表面张力，溶液表面层的浓度大于内部的浓力，溶液表面层的浓度大于内部的浓度，称为正吸附作用。度，称为正吸附作用。(1)(1)(2)(2)00，00，溶溶质质能能增增加加溶溶剂剂的的表表面面张张力力，溶溶液液表表面面层层的的浓浓度度小小于于内内部部的的浓浓度，称为负吸附作用度，称为负吸附作用。根据式（根据式（2 2），通过测定溶液的浓度随表面张力的），通过测定溶液的浓度随表面张力的变化关系可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。变化关系可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。如图如图2 2 是最大气泡法是最大气泡法测定表面张力的装置。待测定表面张力的装置。待测液体置于支管试管中，测液体置于支管试管中，使毛细管端面与液面相切，使毛细管端面与液面相切，液面随时毛细管上升。打液面随时毛细管上升。打开滴液漏斗缓慢抽气。此开滴液漏斗缓慢抽气。此时，由于毛细管液面所受时，由于毛细管液面所受压力大于支管试管液压力大于支管试管液图图2 2 最大气泡法表面张力测定装置最大气泡法表面张力测定装置1-1-滴液漏斗，滴液漏斗，2-2-支管试管，支管试管，3-3-毛细管，毛细管，4-4-恒温槽，恒温槽，5-5-压差计压差计面面所所受受压压力力，毛毛细细管管液液面面不不断断下下降降，将将从从毛毛细细管管缓缓慢慢析析出出气气泡泡。如如图图3 所所示示。在在气气泡泡形形成成的的过过程程中中，由由于于表表面面张张力力的的作作用用，凹凹液液面面产产生生一一个个指向液面外的附加压力指向液面外的附加压力P P，因此有以下关系：因此有以下关系：附加压力与表面张力成正比，与气附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径泡的曲率半径R R成反比。成反比。(4)(4)图图3 3 气泡形成过程气泡形成过程 P P大气大气=P P系统系统+P P （3 3）若毛细管管径较小，则形成的气泡可视为若毛细管管径较小，则形成的气泡可视为球形。气泡刚形成时，由于表面几乎是平的，球形。气泡刚形成时，由于表面几乎是平的，所以曲率半径所以曲率半径R极大；当气泡形成半球形时，极大；当气泡形成半球形时，曲率半径曲率半径R等于毛细管半径等于毛细管半径r，此时此时R值最小。值最小。随着气泡的进一步增大，随着气泡的进一步增大，R又趋增大，直至又趋增大，直至逸出液面。逸出液面。R=r时，附加压力最大时，附加压力最大：（5 5）气泡由毛细管口溢出的总作用力为等于气泡在管口受到的表面张力如将表面张力为1，2的两种液体采用同一种毛细管测量，则有：由已知表面张力的水为标准，可求出其他液体的表面张力（7 7）(6)(6)实验中测出不同浓度乙醇水溶液的表面张力，以表面张力对浓度作图得到一条曲线，从曲线中可以求出不同浓度时的代入Gibbs吸附公式可计算出吸附量吸附量与浓度之间的关系可以用吸附量与浓度之间的关系可以用LangmuirLangmuir等等温吸附方程式表示温吸附方程式表示：（8 8）式中，式中，为饱和吸附量为饱和吸附量,k k为经验常数。将上式为经验常数。将上式整理得：整理得：（9 9）以以c/c/对对c c 作作图图可可得得到到一一条条直直线线，其其斜斜率率的的倒数为倒数为。仪器与试剂仪器与试剂 最大气泡表面张力测定仪；最大气泡表面张力测定仪；数字微压差计；数字微压差计；蒸馏水蒸馏水；乙醇（乙醇（ARAR）；）；实验步骤和数据处理实验步骤和数据处理 1.连连接接好好测测定定装装置置，用用已已知知表表面面张张力力的的水水，测测定定出出最最大大压压差差，查查出出相相应应温温度度时时的的水水的的表表面面张张力力值，计算出仪器常数值，计算出仪器常数K的值。的值。2.分分别别测测定定浓浓度度为为0.02/0.05/0.10/0.15/0.20mol/l的的乙乙醇醇水水溶溶液液的的最最大大压压差差，根根据据仪仪器器常常数数计计算算出出表面张力值。表面张力值。3.做乙醇表面张力与浓度的关系曲线做乙醇表面张力与浓度的关系曲线由关系曲线分别求出浓度为由关系曲线分别求出浓度为 0.05/0.10/0.15/0.20/0.25mol/l时的时的4.4.利用利用GibbsGibbs吸附公式计算出各浓度下的吸吸附公式计算出各浓度下的吸附量附量,做做C/C/与与C C的图得一条直线，斜率的图得一条直线，斜率为为1/1/
