物理化学实验_溶液表面张力的测定-最大气泡法.pdf

物理化学实验 1 溶液表面张力的测定溶液表面张力的测定 最大气泡法最大气泡法 分 1 黄浩 2011011743 同组实验人 刘晓颖 实验日期 2014 5 24 提交报告日期 2014 5 24 1 引言引言 1 1 实验目的实验目的 1 明确表面张力 表面自由能和吉布斯吸附量的物理意义 2 掌握最大压力气泡法测定表面张力的原理和技术 3 计算表面吸附量和吸附质分子的截面积 1 2 实验原理实验原理 1 本实验中 利用 T cd RTdc 公式 求出不同浓度时气一液界面上的吸附量 式中 为表面超量 mol m 2 为溶液的表面张力 J m 2 T 为热力学温度 K c 为 溶液的浓度 mol dm 3 R 为气体常数 2 利用 1cc K 若以 c c 作图 得一直线 由直线的斜率可求出 若以 N 代表 1m2表面上溶质的分子数 则在饱和吸附时 N NA 式中的 NA为阿佛加德罗常数 求出每个溶质分子在表面上所占据的横截面积 A 1 N S 3 用最大气泡法测定表面张力 该测定方法的装置和原理如图 1 所示 图图 1 测试装置示意图测试装置示意图 1 烧杯 2 抽气用的滴液漏斗 3 精密数字微压差测量仪 4 恒温槽 5 支管试管 6 毛细管 物理化学实验 2 将下口齐平的毛细管垂直插入试液 并使管口刚好与液面相切 则可看到毛细管内形成 凹液面 然后从滴液漏斗中放水抽气 随着毛细管内外压差逐渐增大 泡的曲率半径由大变 小 当气泡的半径等于毛细管的内半径时 其半径达到最小值 而泡内压力达到最大值 此 时的泡内外压最大差可由压力计测出 所以根据泡内最大的附加压力和毛细管的内半径 r 就可计算表面张力 式中 k 为仪器常数 其值可用已知表面张力的物质测定 最大压力气泡法与接触角无 关 不需要液体的密度数据 且装置简单 测定迅速 因此 本实验选用此法 2 实验操作实验操作 2 1 实验药品实验药品 表面张力仪 1 套 1000ml 500ml烧杯各一个 100ml容量瓶 7 个 20ml 25ml移液管 各一支 一次性滴管若干 洗耳球 1 个 0 4 和 0 5mol L 正丁醇水溶液 2 2 实验条件 实验温度 湿度 压力等 实验条件 实验温度 湿度 压力等 表 1 实验条件 室温室温 相对相对湿度湿度 气压气压 kpa 22 1 71 6 100 79 2 3 实验操作步骤及方法要点实验操作步骤及方法要点 2 3 1 配制溶液 用实验室已准备好的 0 4mol dm 3 0 5mol dm 3正丁醇水溶液逐级稀释配制 0 3 0 2 0 25 0 15 0 1 0 05 0 025 mol dm 3的正丁醇水溶液 2 3 2 测定纯水表面张力 用去离子水充分洗净大试管和毛细管 并往大试管中注入适量去离子水 使毛细管端口 与水面刚好垂直相切 但由于相切时气泡不稳定 因此液面维持在毛细管底部的上方 2mm 左右 将大试管安装在水浴中 给抽气瓶注满水 打开三通管与大气相连 单击开始 显示器 上开始走基线 稳定 30 秒后 关闭与大气相连的三通管 打开抽气瓶的活塞 使瓶内的水 慢慢滴出 使显示器上显示比较稳定的波形 记录 5 6 个峰值即可 单击完成 并命名存 盘 2 3 3 测定正丁醇水溶液的表面张力 按照从稀到浓的顺序分别测定 0 025 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 4 0 5 mol dm 3的正丁醇水溶液 注意在每次测量前先用去离子 水清洗大试管 再用待测溶液清洗大试管和毛细管 2 3 4 运用实验室提供的软件初步数据处理 P r P 2 PkP r 2 物理化学实验 3 选择并双击物理化学实验 选择并双击表面张力 输入平均温度 溶液浓度 正丁醇密 度 水的表面张力 点击打开 选择已测定完毕的该溶液浓度的文件并打开 将光标移动到 三通管与大气相连起始的10 20秒处 点击压力端点1 再将光标移动到开始吐泡的最高点 点击压力端点 2 差值 E 就会显示出来 多次选择 显示值为平均值 点击提交 溶液浓 度和差值 E 就会在下表显示出来 再输入另一溶液的测定数据 输入正丁醇的密度 0 8150g ml以及 22 1 的水的表面张力值 0 07106N m 点击数据处理 就可以得到计算结 果 3 结果结果与分析与分析 3 1 原始原始实验数据实验数据 从计算机中采集的原始实验数据如表 2 所示 表 2 原始实验数据 C mol L E mV N m 拟合 拟合 10 6 mol m m 0 1 0 2997 0 05574 0 01632 3 9002 0 2 0 2468 0 0459 0 01724 4 6905 0 3 0 2235 0 04156 0 01843 5 0303 0 4 0 2101 0 03907 0 01726 5 2193 0 05 0 326 0 06063 0 00897 2 9172 0 5 0 1928 0 03586 0 0104 5 3397 0 15 0 2783 0 05176 0 0068 4 3937 0 025 0 3464 0 06442 0 0234 1 9395 0 25 0 2349 0 04368 0 00541 4 8886 0 0 3821 0 07106 0 03506 0 此外 水浴温度为30 73 对应的水空气界面张力为71 06 103N m 对应的正丁醇相 对密度为 0 8150 3 2 数据数据处理处理 将表 2 中的 对 C 作图 如图 2 所示 图 2 正丁醇水溶液的 C 图 物理化学实验 4 由图2所示 C 0 1 0 15和0 5的三个点偏离程度较大 将这三个点去除后 使用matlab 进行插值 得到光滑的曲线如图 3 所示 图 3 正丁醇水溶液的 C 拟合曲线 然后根据这条曲线可以求出各个点的斜率值 然后根据公式 T cd RTdc 可得各 个点的 值 再绘制c 对 c 的图像 如图 4 所示 图 4 正丁醇水溶液的c C 拟合曲线 由上图可见 二者的线性关系很差 这是由于插值方式造成的 使用 matlab 插值后虽 然使曲线更加光滑 但插值点的斜率可能会发生一些变动 如果我们仅取实验中的正常数据 点 那么其线性关系是良好的 如图 5 所示 物理化学实验 5 图 5 正丁醇水溶液的c C 拟合曲线 仅取正常实验点 由图 5 可见 1 177799 5 624 10 6mol m2 又根据公式 A 1 N S 可得分子截面积为 2 953 10 19m2 3 3 讨论讨论分析分析 在实验结束后 我们使用实验室自带的软件进行了数据处理 得到的结果与自己处理的 进行比较 可得表 3 表 3 自己的处理结果与实验室软件的对比 mol m2 S m2 自己自己处理处理 5 624 10 6 2 953 10 19 实验室实验室软件软件 5 882 10 6 2 882 10 19 由表3可见 自己处理的结果与实验室软件的结果基本一致 说明处理方法和数据点的 选择没有问题 但是 从本次数据处理过程中 我们可以看见 跑偏 的坏点很多 为求取切线而绘制 一条比较光滑的曲线非常困难 我认为这主要是由于实验操作的原因 本次实验中我们有一 些疏忽的地方 比如我们在每次实验结束之后仅仅清洗了大试管 而没有清洗毛细管 又比 如我们在加样后恒温时间较短 仅 1 2min左右 后来发现大试管的温度和水浴温度还是有 一定差别的 其次 上一组实验同学较差的实验素养也影响了我们的结果 比如他们在实验 结束之后没有清洗大试管 导致我们一开始测的去离子水的表面张力完全不对 当然 我们 在发现了这个坏点之后 又重新刷了大试管 重新测量的纯水的表面张力 4 实验实验结论结论 饱和吸附量 5 624 10 6mol m2 分子截面积 S 为 2 953 10 19m2 物理化学实验 6 5 参考参考文献文献 1 物理化学实验 清华大学化学系物理化学实验编写组 清华大学出版社 2 基础物理化学 朱文涛 清华大学出版社 6 思考题思考题 1 要做好这个实验关键因素有哪些 答 浓度配制要准确 而且测量顺序应按照从低到高来 大试管和毛细管都要清洗并 润洗 抽气瓶的滴水速度不可过快 否则峰底不稳定 当然太慢则实验时间太长 大试管 盛装溶液后应在恒温槽中静置一段时间 待其恒温后再测量 2 气泡形成速度过快对结果有何影响 答 若气泡形成速度太快 可能超出了仪器的灵敏度 最大值测量出现误差 而且各 个峰之间距离太近 有效测量区间太小 此外 气泡形成太快也会引起内部气压的波动 不利于稳定测量 3