物理化学实验报告
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平均室温：10.9 ℃ 平均气压：98.81Kpa
同组人 日期
一、实验目的
1、掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。
2、通过对不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定，加深对表面张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解。 3、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。
4、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。
2、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。这位能就是表面自由能。
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、附加压力与表面张力
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 3、溶液中的表面吸附-吸附现象的发生
当加入某种溶质形成溶液时，表面张力发生变化。把溶质在表面层中与本体溶液中浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：
式中，Г为表层吸附量（mol.m-2）；σ为表面张力；
4、吸附量的计算
以表面张力对浓度作图，可得到σ-C曲线。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。
5、被吸附分子截面积计算
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： 即
t型槽铣刀 即
以C/Г对C作图，得直线，直线的斜率为1/Г∞ 。被吸附分子的截面积：
A∞ = 1 / (Г∞N) ( N为阿佛加得罗常数)。
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、10ml，1支、1mL，1支生产数据采集)；
烧杯(500mL，1只)；
矫姿带容量瓶若干只；
正丁醇(A.R.密度0.8g/ml)；蒸馏水。
四、主要实验步骤
（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，当数字微压差计的数值显示到某一值时，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=σ/ΔPm
（3）表面张力随溶液浓度变化的测定
用移液管取正丁醇7.4ml，加蒸馏水配成100ml标准溶液，浓度为0.8M。
用移液管分别移取37.5mL，25.0mL，18.75mL，15.625mL，12.5mL，9.375mL，6.25mL，3.125mL，1.5625mL正丁醇标准液，移入9个50mL的容量瓶，配制成浓度分别为0.6,0.4,0.3,0.25,0.2,0.15,0.1,0.05,0.025M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。
5、数据处理与结果讨论
正丁醇的密度ρ=0.8g/mL,相对分子质量M=74.12g/mol
① 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。
实验温度t=10.9℃ 即284.05K
测得蒸馏水的最大压差ΔPm=0.438kpa
蒸馏水的表面张力公式为0.07275N/m*（1-0.002*（T-18））
在此实验温度下，蒸馏水的表面张力为
σ=0.07275N/m*（1-0.002*（10.9-18））=0.07378N/m
毛细管的半径R=2σ/ΔPm=2*0.07378N/m / 0.438kpa =0.3369mm
仪器常数K=σ/ΔPm=0.07378N/m / 438Pa=1.684*10-4
利用公式ΔPm=2σ/R 已知R=0.3369mm ，由所测得的最大压差可计算不同浓度正丁醇溶液的表面张力为：
表1
C正丁醇/moL·L-1 | △P/103Pa | σ/N·m-1 | dσ/dc | 吸附量Γ | c/Γ |
0.025 | 0.418 | 0.07041 | -0.1134 | 1.20051E-06 | 20824.41 |
0.05 | 0.382 | 0.06435 | -0.1078 | 2.28213E-06 | 21909.40 |
0.1 | 0.351 | 0.05913 | -0.0965 | 4.08864E-06 | 24458.01 |
0.15 | 0.332 | 0.05593 | -0.0853 | 5.41955E-06 | 27677.60 |
0.2 | 0.319 | 0.05374 | -0.0741 | 6.27484E-06 | 31873.33 |
0.25 | 0.289 | 0.04868 | -0.0629 | 6.65452E-06 | 37568.43 |
0.3 | 0.272 | 0.04582 | -0.0516 | 无人机北京天宇创通6.5586E-06 | 45741.50 |
0.4 | 0.247 | 0.04161 | -0.0292 | 4.93991E-06 | 80973.11 |
| | | | | |
②以C为横坐标，σ为纵坐标作图，求得(dσ/dC)T。
图1 σ-c等温线图
由所得曲线公式求导得(dσ/dC)T=0.1123*2*C-0.1190
分别求出斜率(dσ/dC)T见表1.
③再由公式算出各浓度下的表面吸附量，见表1.飞船逃逸塔
④求出C/Γ的值见表1.根据，以C/Γ对C作图可得到一条直线，斜率的倒数即为Γ∞。以下分别作出Г-C，C/Г-C等温线。
图2Г-C
图3C/Г-C
由图3得斜率为140000，即饱和吸附量Γ∞=1/140000=7.1429*10-6mol •m-2
抗生素制作方法
被吸附分子截面积
A∞ = 1 / (Г∞N) =1/(Γ∞NA)=1/7.1429×10-6mol•m-2×6.02×1023mol-1)=2.33×10-19m2
这与文献值2.5*10-19m2较为接近。.
六、实验讨论
本实验是通过最大泡压法测定溶液的表面张力。通过测定一系列不同浓度的正丁醇溶液形成稳定匀速的气泡时的最大压差，求得正丁醇溶液对应的表面张力、饱和吸附量、被吸附分子的截面积、吸附层厚度，测定结果是正吸附。
（1）在测定过程出现了以下几种非正常状况：
1.正丁醇溶液气泡不单个匀速产生，而漏斗中水的滴速已经尽可能调到了最小，毛细管已经清洗洁净，气泡不单个匀速产生的原因可能是毛细管底端不平整或受损，但由于毛细管没有备用的，所以测量时未更换新的毛细管。
2.正丁醇溶液气泡产生速率过快，气泡产生速率一般以8∽12个为宜，由于上述原因，气泡不单个匀速产生，而是每次积攒三四个气泡连续冒出，这样会造成测定压力值偏大。
3.随着浓度的增大，正丁醇越来越难以产生气泡，可能的是因为正丁醇的粘度增大，所以产生气泡能力减小。
（2）本实验应该注意的事项：
1.首先要保证装置的气密性，所以在玻璃装置的某些接口处涂上凡士林。
2.所用的毛细管必须干净，干燥，应保持垂直，其管口刚好与液面相切。
3.读取压力计的压差时，应取气泡单个溢出时的最大压力差。
4.张力管及毛细管的洗涤要彻底。如果毛细管洗涤不干净，不仅影响表面张力值，而且会使气泡不能有规律地单个连续逸出。要么就是一个气泡也没有，要么就是两个甚至更多个同时逸出，严重影响测量的进行。
5.毛细管插入溶液中的深度直接影响测量结果的准确性，这是因为溶液的静压力会增加对
气泡壁的压强，为了减少静压力的影响，应尽可能减少毛细管的插入和深度，使插入深度与液面刚好相切。
6.在实验中，按浓度从小到大的顺序测定，降低不同浓度溶液之间的影响。
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