文档介绍：最大泡压法测定溶液的表面张力
Ⅰ、目的要求
1、了解表面张力的性质、表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系。
2、掌握用最大气泡压法测定表面张力的原理和技术。
3、测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力,计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。
Ⅱ、实验原理
1、表面自由能
从热力学观点来看,液体表面缩小是一个自发过程,这是使体系总自由能减小的过程,欲使液体产生新的表面ΔA,就需对其做功,其大小应与ΔA成正比:
-W′=σ·ΔA (1)
它表示液体表面自动缩小趋势的大小,σ称为比表面自由能,其量纲为J·m-2。因其量纲又可以写成N·m-1,所以σ还可称为表面张力。其量值与溶液的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素有关。
2、溶液的表面吸附
根据能量最低原理,溶质能降低溶剂的表面张力时,表面层中溶质的浓度比溶液内部大;反之,溶质使溶剂的表面张力升高时,它在表面层中的浓度比在内部的浓度低,这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。在指定的温度和压力下,溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程:
(2)
式中:Γ为溶质在气—液界面上的吸附量(单位为mol·m-2);T为热力学温度(K);c为稀溶液浓度(mol·L-1);R为摩尔气体常数。
当< 0时,Γ> 0称为正吸附;当> 0时,Γ< 0称为负吸附。
前者表明加入溶质使液体表面张力下降,此类物质叫表面活性物质;后者表明加入溶质使液体表面张力升高,此类物质叫非表面活性物质。本实验测定正吸附情况。
3、饱和吸附量和溶质分子的横截面积
在一定的温度下,吸附量Γ与浓度c之间的关系,可用Langmuir吸附等温式表示
(3)
式中Γ∞为饱和吸附量,K为经验常数,其值与溶质的表面活性大小有关。将上式两边取倒数,即可化成如下直线方程
(4)
以c/Γ对c作图,得一直线,该直线的斜率为。
如果以N代表1m2表面上溶质的分子数,则有:
(5)
其中:L为阿伏加德罗常数,由此可得每个溶质分子在表面上所占据的横截面积为:
(6)
4、表面张力的测定方法——最大泡压法
当毛细管下端端面与被测液体液面相切时,液体沿毛细管上升。打开抽气瓶(滴液漏斗)的活塞缓缓放水抽气,此时测定管中的压力Pr逐渐减小,毛细管中的大气压P0就会将管内液面压至管口,并形成气泡。其曲率半径恰好等于毛细管半径r时,根据拉普拉斯(Laplace)公式,此时能承受的压力差最大:
(7)
随着放水抽气,大气压力将把该气泡压出管口。曲率半径再次增大,此时气泡表面膜所能承受的压力差必然减少,而测定管中的压力差却在进一步加大,故立即导致气泡的破裂。最大压力差可通过数字式微差测量仪得到。
用同一个毛细管分别测定具有不同表面张力(σ1和σ2)的溶液时,可得下列关系
(8)
其中:K' 称为毛细管常数,可用已知表面张力的物质来确定。
Ⅲ、仪器试剂
表面张力测定装置恒温水浴
阿贝折光仪滴管
烧杯(20ml) 乙醇(分析纯)
Ⅳ、实验操作步骤
1、配置溶液:
用称重法粗略配制5%,10%,15%,20%,25%,30%,35%,40%的乙醇水溶液各50ml待用。
2、调节恒温水浴至25℃(或30℃)。
3、测定毛细管常数: