1、PAGE PAGE 7大學(xué)化學(xué)實驗 = 2 * ROMAN II實驗報告物理化學(xué)實驗 學(xué)院：化學(xué)與化工學(xué)院 專業(yè)： 班級： 姓名實驗日期實驗時間學(xué)號指導(dǎo)教師實驗工程名稱外表張力的測定實驗?zāi)康恼莆兆畲笈輭悍y定液體外表的方法，了解外表張力測定的因素。測定不同濃度正丁醇溶液的外表張力，計算吸附量，并由外表張力的實驗數(shù)據(jù)求分子的外表積。實驗原理 外表張力是液體的重要性質(zhì)之一，它是因外表層分子受力不均衡所引起的。如液體與其蒸氣構(gòu)成的系統(tǒng)：液體內(nèi)部的分子與周圍分子間的作用力是球形對稱的，可以彼此抵消，合力為零，而外表層分子處于力場不對稱的環(huán)境中，液體內(nèi)局部子對它的作用力遠(yuǎn)大于液面上蒸氣分子對它的作用力，

2、從而使它受到指向液體內(nèi)部的拉力作用，故液體都有自動縮小外表積的趨勢。從熱力學(xué)觀點來看，液體外表縮小是使系統(tǒng)總吉布斯函數(shù)減小的一個自發(fā)過程，如欲使液體產(chǎn)生新的外表A，就需對其做功，其大小應(yīng)與A成正比： G =W= A 1 比例系數(shù)從能量的角度被稱為比外表吉布斯函數(shù)，即為恒溫恒壓下形成1m2新外表所需的可逆功，其單位為Jm-2。從物理學(xué)力的角度看，可被理解為沿著外表、和外表相切、垂直作用于單位長度相界面線段上的外表緊縮力，即外表張力，其單位是Nm-1。在定溫下純液體的外表張力為定值，當(dāng)參加溶質(zhì)形成溶液時，外表張力發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質(zhì)的性質(zhì)和參加量的多少。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)能降低溶劑

3、的外表張力時，外表層中溶質(zhì)的濃度比溶液內(nèi)部大；反之，溶質(zhì)使溶劑的外表張力升高時，它在外表層中的濃度比在內(nèi)部的濃度低，這種外表濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫做溶液的外表吸附。在指定的溫度和壓力下，溶質(zhì)的吸附量與溶液的外表張力及溶液的濃度之間的關(guān)系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程： 2式中，為溶質(zhì)在外表層的吸附量；為外表張力；c為吸附到達(dá)平衡時溶質(zhì)的濃度。 引起溶劑外表張力顯著降低的物質(zhì)叫外表活性物質(zhì)，0，即產(chǎn)生正吸附的物質(zhì)；反之稱為外表惰性物質(zhì)，0，即產(chǎn)生負(fù)吸附的物質(zhì)。被吸附的外表活性物質(zhì)分子在界面層中的排列，決定于它在液層中的濃度，這可由圖1看出。 圖1 被吸附的分子在界面上的排列圖1中(1)和(

4、2)是不飽和層中分子的排列，(3)是飽和層分子的排列。 圖2 外表張力和濃度關(guān)系圖 當(dāng)界面上被吸附分子的濃度增大時，它的排列方式在不斷改變，最后，當(dāng)濃度足夠大時，被吸附分子蓋住了所有界面的位置，形成飽和吸附層，分子排列方式如圖1中(3)所示。這樣的吸附層是單分子層，隨著外表活性物質(zhì)的分子在界面上愈益緊密排列，那么此界面的外表張力也就逐漸減小。如果在恒溫下繪成曲線=f(c)(外表張力等溫線)，當(dāng)c增加時，在開始時顯著下降，而后下降逐漸緩慢下來，以至的變化很小，這時的數(shù)值恒定為某一常數(shù)(見圖2)。利用此圖求出其在一定濃度時曲線的切線斜率，代入吉布斯吸附方程就可求得外表吸附量?；蛘咴谇€上某一濃度c

5、點作切線與縱坐標(biāo)交于b點，再從切點a作平行于橫坐標(biāo)的直線，交縱坐標(biāo)于b點，以Z表示切線和平行線在縱坐標(biāo)上截距間的距離，故有： 3根據(jù)朗格繆爾(Langmuir)公式：單分子層吸附 4其中 為飽和吸附量，即外表被吸附物鋪滿一層分子時的吸附量，整理可得： 5 以 c/ 對 c 作圖，得一直線，該直線的斜率為1/，即可求得飽和吸附量。由所求得的 代入： 6可求被吸附分子的截面積(L為阿佛加得羅常數(shù))。 假設(shè)溶質(zhì)的密度，分子量M，就可計算出吸附層厚度 ： 7而測定溶液的外表張力有多種方法，如毛細(xì)管上升法、滴重法、拉環(huán)法等，而以最大氣泡法壓力法泡壓法較方便，應(yīng)用較多。先來考察一下氣泡的形成過程：將待測外

6、表張力的液體裝于測定管中，使毛細(xì)管的端面與液面相切，液面即沿毛細(xì)管突然上升，緩緩翻開減壓瓶的下端活塞，毛細(xì)管內(nèi)液面上受到一個比減壓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))在毛細(xì)管端面上產(chǎn)生的作用力稍大于毛細(xì)管口液體的外表張力時，氣泡就從毛細(xì)管口脫出。 如果毛細(xì)管半徑很小，那么形成的氣泡根本上是球形的。當(dāng)氣泡開始形成時，外表幾乎是平的，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)下式這時附加壓力達(dá)最大值。氣泡進(jìn)一步長大，R變大，附加壓力那么變小，直到氣泡逸出。附加壓力與外表張力成正比，與氣泡的曲

7、率半徑成反比，遵循拉普拉斯公式： 8 式中， p為附加壓力；為外表張力；R為氣泡的曲率半徑。 實際測量時，使毛細(xì)管端剛好與液面接觸，那么可忽略氣泡鼓泡所需克服的靜壓力，這樣就可直接用上式進(jìn)行計算。在實驗中，如果使用同一支毛細(xì)管和壓力計，那么可以用外表張力的液體為標(biāo)準(zhǔn)如蒸餾水，分別測定標(biāo)準(zhǔn)物和待測物的最大附加壓力，通過比照計算求未知液體的外表張力，其中水/ p水那么被稱為儀器常數(shù)： 9根據(jù)此法所測得的外表張力，使用上面介紹的方法就可以求出所測物質(zhì)在溶液中的飽和吸附量、被吸附分子的截面積和吸附層厚度。實驗儀器和試劑儀器：外表張力力管一支；外表張力教學(xué)實驗儀DMPY-2C一臺；鼓泡毛細(xì)管一支；滴液漏

8、斗一個；10ml移液管一個；5ml刻度移液管一支；250m容量瓶一個，50ml容量瓶9個；50ml簡式滴定管一支；洗耳球一個；恒溫水浴一套。試劑：正丁醇AR；酸洗液；蒸餾水。實驗步驟酸洗液清洗毛細(xì)管和玻璃儀器，按要求連接好裝置的氣密性。并記錄一次實驗室溫度計大氣。翻開外表張力教學(xué)實驗儀電源開關(guān)，預(yù)熱10分鐘。將外表張力教學(xué)實驗儀與大氣相連，待儀器數(shù)值穩(wěn)定后，清零。用水做標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，測定儀器室溫下的常數(shù)K。在外表張力管中注入適量的蒸餾水，調(diào)節(jié)液面，時毛細(xì)管下端面恰好與液面相切，按實驗要求將實驗儀器連接好，并在滴管漏斗中參加約三分之二體積的自來水。調(diào)節(jié)滴液漏斗的旋塞，使氣泡進(jìn)毛細(xì)管緩慢均勻的向液面鼓

9、出，鼓泡速度控制在5020個每分鐘，且氣泡一個接一個的間斷鼓出。這時，讀取外表張力教學(xué)儀所顯示的數(shù)據(jù)最大值P最大。按要求配置一系列濃的的正丁醇水溶液，其濃度分別為0.02mol/l、0.04mol/l、0.06mol/l、0.08mol/l、0.10mol/l、0.12mol/l、0.16mol/l、0.20mol/l、0.24mol/l。待測正丁醇溶液外表張力的測定。用少量待測溶液潤洗支管試管及毛細(xì)管。將上述4中的蒸餾水依次換成不同濃度正丁醇水溶液，按濃度由稀到濃的順序重復(fù)步驟四的操作。實驗結(jié)束后分別用 和蒸餾水仔細(xì)將毛細(xì)管和外表張力管沖洗23次，并放回原處。再將毛細(xì)管洗液浸泡。在記錄一次實

10、驗室溫度，并于第一次記錄的實驗室溫度結(jié)合，取平均值，作為試驗溫度。 實驗考前須知1測定系統(tǒng)不能漏氣，減壓管上端通大氣活塞一定要關(guān)緊，不能漏氣。2所用毛細(xì)管必須干凈，不能堵，應(yīng)保持垂直，其管口剛好與液面相切。3減壓管中液體流動速度要好好調(diào)，不要太快。4讀取壓力計的壓差時，應(yīng)取氣泡單個逸出時的最大壓力差。實驗原始數(shù)據(jù)記錄開始： 溫度=17.8 大氣壓=88.95kpa結(jié)束：溫度=17.8 大氣壓=88.79kpa水的 P最大 =622kpa不同濃度正丁醇水溶液極其P最大濃度mol/l0.020.040.060.080.100.120.160.200.24P最大 (kpa)5985535364994

11、75467425409391實驗數(shù)據(jù)處理平均溫度=17.8 平均大氣壓=88.87kpa外表張力濃度關(guān)系曲線由上圖可計算的個點的，結(jié)合溫度制的下列圖正丁醇溶液吉布斯吸附等溫線：再以c/對c作圖得知該直線的斜率為0.013107，那么根據(jù)1/=1.3105 1/K=0.811107所以 正丁醇飽和吸附量=1/1.3105=7.69210-6molm-2問題討論及誤差分析問題討論：1、在毛細(xì)管升高法中，影響實驗結(jié)果的因素有哪些？答：毛細(xì)管及試管的潔凈程度；毛細(xì)管的內(nèi)徑大小內(nèi)徑小，測量的高度誤差??；毛細(xì)管粗細(xì)是否均勻；毛細(xì)管內(nèi)半徑的測量是否準(zhǔn)確； = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 測量

12、時，毛細(xì)管是否垂直液面。2、在用滴重法測水溶液的外表張力是，需要注意些什么？答：毛細(xì)管中不宜加過多的水，應(yīng)該使毛細(xì)管球體中的液面稍高于毛細(xì)管的最高處，從而使水從毛細(xì)管末端慢慢滴下；在搜集水滴的時候，保持動作輕快，既要完整地搜集到每一滴水，又不能使裝置震動；稱量時，應(yīng)在稱量瓶上蓋上瓶蓋，減少水的蒸發(fā)，使實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確；測量毛細(xì)管外徑時要正確使用游標(biāo)卡尺，正確讀數(shù)。3、毛細(xì)管插入深度對實驗是否有影響？為什么？答：一般來說，是沒影響的。但在另一種情況下，毛細(xì)管插入深度對實驗有影響，對于本實驗，毛細(xì)管的長度是有限的，隨著毛細(xì)管插入深度的增加，露在溶液外部的毛細(xì)管長度減少，倘假設(shè)外部的毛細(xì)管長度低于正常測量時液柱的高度，相應(yīng)的，毛細(xì)管內(nèi)的液柱也會下降，測得的高度也就減少。因為毛細(xì)管中的的液柱是不會流出毛細(xì)管的。也就是物理上所說的毛細(xì)永動機(jī)不可能存在。誤差分析：假設(shè)是以滴重法為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可以看出毛細(xì)管升高法的實驗誤差更大，這是毛細(xì)管升高法的方法誤差和讀書時的偶然誤差一起的。1毛細(xì)管放置是否豎直及干凈程度對實驗會帶來誤差。2讀數(shù)誤差大，包括測量液柱高度時用的是一般的直尺，精度僅為小數(shù)點后一位，估讀一位；測量毛細(xì)管內(nèi)徑時讀數(shù)顯微鏡，經(jīng)屢次調(diào)節(jié)，視野中物象仍舊模糊，溶液與管壁界面不清晰，讀數(shù)誤差大。3.在實驗