表面张力的测定实验报告

表面张力的测定实验 液体表面张力的测定实验报告 液体表面张力的测定实验报告 指导老师: 姓名: 专业:无机 学号: 实验时间: 实验目的 1、掌握最大泡压法测定液体表面张力的方法，了解影响表面张力测定的因素。 2、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量，由表面张力的实验数据求分子的截面积。 实验原理 液体表面缩小是一个自发过程，欲使液体产生新的表面?A，就需要 对其做功，其大小与?A有关 -W,=σ?A σ为表面张力，是作用在界面上每单位长度边缘上的力。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，稀溶液中，溶质在表层中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吸附等温式 Γ=? T RTdc c dσ 能使溶剂表面张力显著降低的物质称为表面活性剂，他们在溶液表面的排列情况，决定于它在液层中的浓度。随着表面活性物质的分子在界面上排列愈加紧密，此界面的表面张力逐渐减小。 恒温下绘制曲线σ=f(c),利用图解法进行计算，以Z表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，则有 T=- c T Γ=? T=dccdcRTdcRT2、最大泡压法测定表面张力 将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，会产生压力差?P，液 dσ Z dσ c dσ Z 面沿毛细管上升。打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内液面受到一个使待测液面上升的压力，当次压力差P大气- P系统在毛细管端面上产生的作用力稍大于?P时，气泡就从毛细管口脱出。此时 ?P=2σ R 本实验采用压气鼓泡法鼓泡。当曲率半径R和毛细管半径r相等时，曲率半径达最小值，最大附加压力为: ?P 最大 =2σ r r2 对于同一毛细管，其为一常数，用k表示。则有 σ=k ?P 最大 最大 k值可由实验测得 k= k(水) ?P(水) 仪器与试剂 表面张力教学实验仪(DMPY-2C)1台、表面张力管1支、鼓泡毛细管1支、滴液漏斗1个、10ml移液管1支、5ml刻度移液管1支、250ml容量瓶1个、50ml容量瓶9个、50ml碱式滴定管1支、洗耳球1个、恒温水浴1套正丁醇、铬酸洗液、蒸馏水 实验步骤 1、用铬酸洗液清洗毛细管和玻璃仪器，记录实验室温度。 2、打开表面张力教学实验仪器电源开关，预热10min. 3、将表面张力教学实验仪器与大气相通，清零。 4、将水作为标准物质测定室温下的仪器常数k。 (1)在表面张力管中注入适量蒸馏水，调节液面，使毛细管下 端恰好与液面相切，按要求将实验仪器连接好，并在滴液漏斗中加入约三分之二体积的自来水 (2)调节滴液漏斗的旋塞，使气泡经毛细管缓慢均匀的向液体中鼓泡，鼓泡速度控制在15-20个/分钟，且气泡一个一个的间断逸出。这时，读取表面张力教学仪所显示的压差的最大值?P 最大 。 5、配制一系列正丁醇水溶液。在250ml的容量瓶中装少量水，取11.44ml正丁醇放入容量瓶，加水至250ml，摇匀，定容。分别用碱式滴定管滴取2 ml、4 ml、6 ml、8 ml、10 ml、12 ml、16 ml、20 ml、24 ml的正丁醇水溶液于50 ml的容量瓶，加水至50 ml，摇匀定容，此时的正丁醇水溶液的浓度分别依次为0.02molL-1、0.04molL-1、0.06molL-1、0.08molL-1、0.10molL-1、0.12molL-1、0.16molL-1、0.20molL-1、0.24molL-1。 6、用少量待测溶液淌洗支管试管及毛细管。将上述步骤4中的蒸馏水依次换成不同浓度的正丁醇水溶液。 7、再记录一次室温，与第一次记录的室温取平均值，作为实验室温。 注意事项 1、在整个实验过程中所用毛细管必须干净，并保持垂直，其管口应平整且刚好与液面相切。 2、读取压力计的压差时，应取气泡单个逸出时的最大压力差。 3、测完一个样品后，要先将系统排空再换用下一个溶液进行测定。 4、要注意系统的气密性，尤其是各部件的接口处不得漏气，否则实验失败。 数据处理 原始数据记录: ?P水 =576pa T=23.1? 数据处理: 1、在23?时，水的表面张力σ=72.28mN/m ?R= 2σ水?P水 =0.2510 2、作σ-c的图像可得下图: 3、作Г-c的图像如下: 篇二:表面张力的测定的实验报告孙宇 溶液表面张力的测定 学 院: 化学与化工学院 专 业: 生物工程 年 级: 112 学 号: 1108110358学生姓名: 孙宇 指导教师: 吴玉娟 实验时间:2013年5月2日 实验目的: 1. 掌握最大泡压法测定液体表面张力的方法，了解影响表面张力测定的因素。 2. 测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量，由表面张力的实验数据求分子的截 面积。 实验原理 从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，是使体系总自由能减小的过程。欲使液体产生新的表面?A，就需要对其做功，其大小应与?S成正比: -W’=σ?A 在指定的温度和压力下，稀溶液中，溶质在表层中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吸附等温式: Γ =-( )T ()T ,0时，Γ,0时，成为正吸附;反之则称为负吸附。 表面张力与浓度关系 经过切点a作平行于横坐标的直线，交纵坐标于b’点。以Z表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，根据导数的几何意义有 ( )T =-Z/c Z=-c ()T Γ=- ( )T 液体表面张力的测定方法有:最大泡压法、毛细管升高法、滴重法和圆环法等。本实验用最大 泡压法测定正丁醇水溶液的表面张力，其装置如图11.3 所示。 图11.3 最大泡压法测定液体表面张力实验装置图 1–恒温槽;2–温度计;3–样品管;4–毛细管;5–微压差仪;6–滴液漏斗 由与液面相切的毛细管4 鼓出空气泡时，需要高出 外部大气压的附加压力以克服气泡的表面张力，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为 Δp =2σ/R 式中Δp为附加压力，σ 为表面张力，r是气泡曲率半径。如果毛细管半径R'很小，则形成的气泡基本上是球形的，当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，此时曲率半径r与毛细管半径R'相等，曲率半径达到最小值，此时附加压力达最大。当气泡进一步增大时， r 变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。则由式(11.5)知，当r,R'时最大附加压力为 Δpmax=2σ/r 实际测量时，使毛细管顶端刚与液面接触，则可忽略鼓泡所需克服的静压力，这样就可直接用由于直接测量毛细管的半径很不方便，所以实验时用一已知表面张力0 σ 的液体测定毛细管常数K k= 有最大气泡法测定水及不同浓度正丁醇溶液产生气泡时的最大附加压力Δpmax，利用计算 机处理实验数据，并绘制正丁醇溶液表面张力与浓度的关系曲线。 实验仪器、试剂名称 表面张力管1支;表面张力教学实验仪(DMPY-2C)1台;鼓泡 毛细管1支;滴液漏斗1个;10ml移液管1支;5ml刻度移液管1支;250ml容量瓶1个;50ml容量瓶9个;50ml碱式滴液管1支;洗耳球1个;恒温水浴1套 正丁醇(AR);铬酸洗液;蒸馏水 实验步骤 1. 将实验仪器清洗干净，按要求连接好装置并检验装置的气密性。 2. 打开表面张力教学实验仪电源开关，预热5分钟 3. 用250ml容量瓶配置0.5mol/L的正丁醇溶液 4. 将表面张力教学实验仪与大气相通，清零。 5. 用水做标准物质，测定室温下的仪器常数K。 (1) 在表面张力管中注入适量蒸馏水，调节液面，使毛细管下端面恰好与液面相切，按 要求将实验仪器连接好，并在滴液漏斗中加入约三分之二体积的自来水。 (2) 调节滴液漏斗的旋塞，使气泡经毛细管缓慢均匀的向液体中鼓泡，鼓泡速度控制在 15~20个/分钟，切气泡一个一个的间断逸出。这时，读取表面张力教学实验仪所显 示的压差的最大值Δpmax 。重复读取三次，取平均值 6. 待测正丁醇溶液表面张力的测定。用少量待测溶液淌洗支管试管及毛细管。将上述步骤 4中的蒸馏水依次换成不同浓度的正丁醇水溶液，按浓度由稀到 浓的顺序重复步骤4的操作。 7. 实验结束后，分别用自来水和蒸馏水仔细将毛细管和表面张力管冲洗2~3次，并收回到 各组的白瓷盘中备用。再将毛细管用洗液浸泡。 8. 再记录一次实验室温度，并与第一次记录的实验室温度结合，取平均值，作为实验温度。 数据记录表及处理 r= 0.195mmt= 18.2?σH2O=73.05(mN/m) 表面张力—浓度曲线 吸附等温线 问讨论 1. 毛细管尖端为何必须调节的恰好与液面相切,否则对实验有何影响, 答:减少测量Δpmax 。误差，因为Δpmax 是气泡内外的压力差，在气泡形成的过程中，由于表面张力的作用，凹液面产生一个指向液面外的附加压力Δp，如果插入一定的深度，P外还要考虑插入这段深度的静压力，使得Δpmax 。得绝对值变大，表面张力也变大，若没有相切，而是和水面有一定的距离，那样吹出气泡时，就不会形成完整的气泡，影响Δpmax 。的值 2. 最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差,如果气泡逸出得很快，或几个气泡 一起逸出，对实验结果有无影响, 答:最大气泡法测定表面张力时要读最大压力差。因为随着气泡的形成，曲率半径逐渐由大变小又变大，当曲率半径等于毛细管半径时，气泡呈半球形，气泡曲率半径最小，?p最大。如果气泡逸出很快，或几个气泡一起逸出，即气泡形成时间太短，则吸附平衡就来不及在气泡表面建立起来，测得的表面张力也不能反映该浓度之真正的表面张力值。 3. 本实验选用的毛细管的半径大小对实验测定有何影响,如毛细管不清洁，会不会影响测 定结果, 答:毛细管太细，曲率半径小，附加压力大，液体在毛细管中上升的高度高，则系统需要的真空度高，使测量不便;毛细管太粗，R=?,附加压力为零，无法测量。若毛细管内有表面活性杂质，会使测得的?P偏小，计算出的表面张力值偏小;若毛细管内有非活性杂质，会使测得的?P偏大，计算出的表面张力值偏大。 4. 不用压气鼓泡，用抽气鼓泡完成本实验可以吗, 答:可以，但是操作复杂，对设备的要求高，测量结果不精确。 5. 从整个实验的精度看，本实验配制溶液的精度是否合理, 答:合理 6. 鼓泡时为何要记录压差读数的最大值, 答:当毛细管液面上收到的压力稍大于毛细管口，气泡的附加压力时，气泡就会从毛细管口逸出，此附加力与表面张力成正比，所以要读最大压力差。 篇三:最大气泡法测表面张力实验报告 最大气泡法测定溶液的表面张力 【实验目的】 1、掌握最大泡压法测定表面张力的原理，了解影响表面张力测定的因素。 2、了解弯曲液面下产生附加压力的本质，熟悉拉普拉斯方程，吉布斯吸附等温式，了解兰格缪尔单分子层吸附公式的应用。 3、测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算饱和吸附量, 由表面张力的实验数据求正丁醇分子的截面积及吸附层的厚度。 【实验原理】 1、表面张力的产生 纯液体和其蒸气组成的体系体相分子:自由移动不消耗功。表面分子:液体有自动收缩表面而呈球形的趋势。要使液体表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功以增加分子位能。所以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。 ?W=???A 如果ΔA为1m2，则-W′=σ是在恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，所以σ称为比表面吉布斯自由能，其单位为J?m-2。也可将σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表面张力，其单位是N?m-1。液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。 2、弯曲液面下的附加压力 (1)在任何两相界面处都存在表面张力。表面张力的方向是与界面相切，垂直作用于某一边界，方向指向使表面积缩小的一侧。 (2)液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。 (3)液体的表面张力与液体的纯度有关。在纯净的液体(溶剂)中如果掺进杂质(溶质)，表面张力就要发生变化，其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。 (4)由于表面张力的存在，产生很多特殊界面现象。 3、毛细现象 (1)由于表面张力的作用，弯曲表面下的液体或气体与在平面下情况不同，前者受到附加的压力。 (2)如果液面是水平的，则表面张力也是水平的，平衡时，沿周界的表面张力互相抵消， 此时液体表面内外压力相等，且等于表面上的外压力Po。 (3)若液面是弯曲的，平衡时表面张力将产生一合力Ps，而使弯曲液面下的液体所受实际压力与Po不同。 (4)当液面为凹形时，合力指向液体外部，液面下的液体受到的实际压力为 P' = Po - Ps 。 (5)当液面为凸形时，合力指向液体内部，液面下的液体受到的实际压力为P' = Po + Ps 。 (6)这一合力PS，即为弯曲表面受到的附加压力，附加压力的方向总是指向曲率中心。 (7)附加压力与表面张力的关系用拉普拉斯方程表示:PS=2σ/ R式中σ为表面张力，R为弯曲表面的 曲率半径，该公式是拉普拉斯方程的特殊式，适用于当弯曲表面刚好为半球形的情况。 4、最大泡压法测定溶液的表面张力 毛细现象则是弯曲液面下具有附加压力的直接结果。假设溶液在毛细管表面完全润湿，且液面为半球形，则由拉普拉斯方程以及毛细管中升高(或降低)的液柱高度所产生的压力 ?P = ? g h，通过测量液柱高度即可求出液体的表面张力。这就是毛细管上升法测定溶液表面张力的原理。此方法要求管壁能被液体完全润湿，且液面呈半球形。 5、溶液中的表面吸附 (1) 实际上，最大泡压法测定溶液的表面张力是毛细管上升法的一个逆过程。将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使毛细管的端面与液面相切，由于毛细现象液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，系统减压，毛细管内液面上受到一个比表面张力仪瓶中液面上(即系统)大的压力，当此压力差——附加压力(Δp , p大气 , p系统) 在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为拉普拉斯公式:ΔP=2σ/ R (2) 如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大;随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，根据上式这时附加压力达最大值，气泡进一步长大，R 变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。根据上式，R , r时的最大附加压力为: ?p最大= 2?rr 或???p最大??g?h最大 r22 (3) 对于同一套表面张力仪，毛细管半径r，测压液体密度、重力加速度都为定值，因此为 了数据处理方便，将上述因子放在一起，用仪器常数K来表示，上式简化为: ??K?h最大 式中的仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得，通常用纯水来标定。 6、溶液中的表面吸附-吸附现象的发生 在定温下纯液体的表面张力为定值，只能依靠缩小表面积来降低自身的能量。通常见到小露珠为球形，为什么,而对于溶液，既可以改变其表面张力，也可以减小其面积来降低溶液表面的能量。通常以降低溶液表面张力的方法来降低溶液表面的能量。当加入某种溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。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: ?= -Cd?)T RTdC 式中，Г为溶质在表层的吸附量;σ为表面张力;C为吸附达到平衡时溶质在溶液中的浓度。 G 0，正吸附,溶液表面张力降低:表面活性物质。G 0，负吸附, 溶液表面张力升高: 非表面活性物质浓度达一定值，溶液界面形成饱和单分子层吸附 7、吸附量的计算 (1)、当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层。这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。 (2)、以表面张力对浓度作图，可得到σ-C曲线。开始时σ随浓度增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢。在σ-C曲线上任选一点a作切线，得到在该浓度点的斜率经，代入吉布斯吸附等温式，得到该浓度时的表面超量(吸附量)，同理，可以得到其它浓度下对应的表面吸附量，以不同的浓度对其相应的Г可作出曲线，Г , f(C)称为吸附等温线。 8、被吸附分子截面积计算 (1)、饱和吸附量Г?:对于正丁醇的吸附等温线，满足随浓度增加，吸附量开始显着增加，到一定浓度时，吸附量达到饱和，因此可以从吸附等温线得到正丁醇的饱和吸附量Г?。 (2)、也可以假定正丁醇在水溶液表面满足单分子层吸附。根据朗格谬尔(Langmuir)公式: ?=?? kC 1?kC Г?为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的Г， CkC+1C1 ==? ?k????k?? 以C/Г对C作图，得一直线，该直线的斜率为1/Г? 。被吸附分子的截面积:So = 1 / (Г?N) ( N为阿佛加得罗常数)。吸附层厚度: ?= 溶质的密度ρ，分子量M 三、仪器与试剂 最大泡压法表面张力仪1套; 吸耳球1个; 移液管(50mL，1支、1mL，1支); 烧杯(500mL，1只); 温度计1支。 正丁醇(A.R.);蒸馏水。 ??M ? 四、实验步骤 (1) 仪器准备与检漏 将表面张力仪容器和毛细管洗净、烘干。在恒温条件下将一定量蒸馏水注入表面张力仪中，调节液面，使毛细管口恰好与液面相切。打开抽气瓶活塞，使体系内的压力降低，当U型管测压计 两端液面出现一定高度差时，关闭抽气瓶活塞，若2,3min内，压差计的压差不变，则说明体系不漏气，可以进行实验。 (2)仪器常数的测量 打开抽气瓶活塞，调节抽气速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每个气泡形成的时间约为5 , 10 s。当气泡刚脱离管端的一瞬间，压差计显示最大压差时，记录最大压力差，连续读取三次，取其平均值。再由手册中，查出实验温度时，水的表面张力σ，则仪器常数 K= ?水 ?h最大 (3)表面张力随溶液浓度变化的测定 用移液管分别移取0.0500mL，0.150mL，0.300mL，0.600mL，0.900mL，1.50mL，2.50mL，3.50mL，4.50mL正丁醇，移入9个50mL的容量瓶，配制成一定浓度的正丁醇溶液。然后由稀到浓依次移取一定量的正丁醇溶液，按照步骤2所述，置于表面张力仪中测定某浓度下正丁醇溶液的表面张力。随着正丁醇浓度的增加，测得的表面张力几乎不再随浓度发生变化。 五、数据记录与处理 ? 计算仪器常数K和不同浓度正丁醇溶液的表面张力σ，绘制σ - C等温线。 温度t=25.5? Δh最大=0.0695mσK=σ 水?Δ 水=71.82 ×10-3N/m h最大=(71.82 ×10-3?0.0695) N/m2=1.0334×10-2 N/m2 正丁醇的密度ρ=0.8097g/mL,相对分子质量M=74.12g/mol 由 σ=K×Δh最大 和c=ρV/(50×10-3L?M)进行计算: 利用仪器 常数K可计算不同浓度正丁醇溶液的表面张力为: V/mL 0.050 0.150 0.300 0.600 0.900 1.500 2.500 3.500 4.500 (mol/L) C 0.0109 0.0328 0.0657 0.1311 0.1967 0.3278 0.5464 0.7650 0.9835 Δh1(cm) Δh2(cm) Δh3(cm) Δh平均值(cm) 6.85 6.49 5.75 5.08 4.50 4.03 3.90 3.43 3.06 6.80 6.50 5.70 5.10 4.60 3.96 3.80 3.44 3.00 6.84 6.45 5.72 5.15 4.55 3.99 3.83 3.40 3.03 6.83 6.48 5.72 5.11 4.55 3.99 3.84 3.42 3.03 图3 σ-c等温线图 ? 根据吉布斯吸附等温式，求出Г，C/Г。 根据公式 Гr= - Cd? )T RTdC