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溶液表面张力的测定（拉环法） 一实验目的 （1） 了解表面自由能、表面张力的意义及表面张力与吸附的关系。 （2） 通过测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算吉布斯表面吸附 量和乙醇分子的横截面积，掌握拉环法测定表面张力的原理和技术。 二实验原理 （1） 表面张力 在温度、压力、组成恒定时，每增加单位表面积，体系的吉布斯 自由能的增值称为表面吉布斯自由能（J· m-2），用表示。也可以看 作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（N· m-1）。位表 面层上分子比同数量内层分子引起体系自由能的增加量称为比表面 自由能。比表面和表面张力在数值和量纲上一致，故常用表面张力度 量比表面自由能。 （2）影响表面张力的因素 液体的表面张力与温度有关，温度越高，表面张力越小。液体的 表面张力与液体的浓度有关，在溶剂中加入溶质，表面张力就会发生 变化。 （3）表面张力与吸附量的关系 表面张力的产生是由于表面分子受力不均衡引起的，当加入一种 物质后，对某些溶液（包括内部和表面）及固体的表面结构会带来强 烈的影响，则必然引起表面张力的改变。如果溶质加入能降低表面吉 布斯自由能时，边面层溶质浓度比内部大；反之增加表面吉布斯自由 能时，则溶液在表面的浓度比内部小。由此可见，在指定温度和压力 下，溶质的吸附量与溶液的表面张力有关，即吉布斯等温吸附方程： = - （d/dc ）T（c/RT） 其中为溶质的表面超额， c 为溶质的浓度，为溶液的表面张力 a若d/dc0，0，为正吸附，表面层溶质浓度大于本体溶液， 溶质是表面活性剂。 b若d/dc0，0，为负吸附，表面层溶质浓度小于本体溶液， 溶质是非表面活性剂。 溶液的饱和吸附量： c/= c/1/K 分子的截面积： SB = 1/ （L） L=6.02 ×10 34 （4）吊环法测表面张力的原理 测表面张力的方法很多，有毛细管上升法，滴重法，最大气泡压 力法，吊环法等。吊环法是将吊环浸入溶液中，然后缓缓将吊环拉出 溶液，在快要离开溶液表面时， 溶液在吊环的金属环上形成一层薄膜， 随着吊环被拉出液面，溶液的表面张力将阻止吊环被拉出，当液膜破 裂时，吊环的拉力将达到最大值。自动界面张力仪将记录这个最大值 P。按照公式校正后，可以得出溶液的表面张力数值。校正因子： F=0.7250+（0.01452P/C 2D+0.04534-1.679r/R）1/2 式中 P：界面张力仪显示读数值mN· m-1 C：铂丝环周长cmR：铂丝环半径cD：溶液的密度 g· mL -1 r：铂丝的半径cm 三实验仪器与试剂 JYW200A 自动界面张力仪、 5mL 吸量管、10mL 吸量管、无水乙 醇（分析纯）、50mL 容量瓶 8 个、胶头滴管 JYW200A 自动界面张力仪 四实验步骤 （1）配制溶液 本实验总共配 8 组乙醇的水溶液。 按乙醇所占体积比分别为5%、 10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%。 分别用吸量管量取2.5mL、 5 mL、 7.5 mL、 10 mL、 12.5 mL、 15 mL、 17.5 mL、20 mL 无水乙醇于 50 mL 容量瓶中。 分别向 8 个容量瓶中加入蒸馏水至刻度线以下1cm 处，再用干净 的胶头滴管滴入蒸馏水至溶液的凹液面与刻度线齐平。 旋紧塞子，一手托住底部，一手按紧塞子，上下颠倒使溶液混合 均匀。 将配制好的溶液按浓度的大小放好，准备下面操作。 注意：在使用吸量管时要用食指捏紧管口，防止下面滴出造成所量体 积不准确。 （2）测量表面张力 a、插上电源，打开开关。 注意：要动作轻缓，防止剧烈拍打桌子。 b、取出吊环挂在挂钩上，让仪器保持平稳，调零至显示0。 注意： 用手拿吊环时，注意拿一边，不要用手捏两边，防止吊环变 形在上升拉吊环时受力不均，影响实验结果。 只调一次，在实验过程中不能再调。 c、用被测溶液涮洗样品杯三次，再倒入约容器体积的2/3。 d、操作步骤： 先按上升键，至吊环完全浸入溶液约8mm，按 停止键。 再按键，即峰值保留键。 按下降键，至吊环完全被拉出时按 停止键。记录所显示的数 值。 按 RES 键，重复以上操作。 每一组溶液水平测三次，共测8 组溶液。 五注意事项 在整个操作过程中避免剧烈拍桌子，以引起仪器的显示数字不稳定。 避免水溅到仪器上，对仪器造成损害。 执行操作步骤中的和时要及时按 停止键，防止升的过高或过 低，对仪器造成损伤， 更不能按完 键就直接按 键，防止造成卡壳， 损害仪器。 注意要在步骤后按 P H 键，是仪器保留峰值（即最大值） 。 调零只在实验前调一次，在实验过程中不能再调。 实验完毕后按要求将吊环装好，防止吊环变形，影响实验结果。 六数据记录和处理 无水乙醇的密度： 0.7890.791g/cm 3 乙醇：水（体积 表面张比） 力（ mN/m ） 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 1 77.2 69.5 63.5 58.2 54.2 49.9 48.0 46.3 2 77.5 69.4 63.7 58.4 54.0 49.8 48.3 46.0 3 76.7 69.5 63.4 58.2 54.2 49.7 48.3 46.1 平均值77.1 69.5 63.5 58.3 54.1 49.8 48.2 46.1 01234567 0.045 0.050 0.055 0.060 0.065 0.070 0.075 0.080 y=0.08506-0.00999x+0.0006313x 2 R 2=0.9985 张 力 / N 浓度/（mol/L) 得方程： y=0.08506-0.00999x+0.0006313x 2 微分得： y ,= 0.009990.0006313x 代入方程： C/ = RT / y 得下表： 浓度 /(mol/L) 0.85871.71742.57613.43484.29355.15226.0109 6.8696 C/ 273542 311472 361819 431010 533356 699443 1015749 1854313 得图： 01234567 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 2000000 y=-156090+217688x R 2 =0.7421 张 力 / N 浓度/（mol/L) 拟合得： = 1 / 217688 得: SB = 1/（ L）=1/(1/217688mol m -2 *6.02 x10-23 mol-1) =3.616 x10-19m2 七 思考题 1.影响本实验的主要因素有哪些? 答: 影响本实验的主要因素有温度、压力、环的水平程度、环的润湿程 度以及拉环时液面的振动情况等。 2.使用表面张力仪时应注意哪些问题? 答： （1）使用前将自动界面张力仪放在平稳不受振动的地方，用横梁上的 水准泡，调节螺丝把仪器调到水平状态。 （2）打开界面张力仪后面的电源开关预热仪器。 （3）将吊环和样品杯洗净，晾干，应保证铂丝环的平整。 （4）洗净的样品杯用少量待测液润洗三次，然后加入溶液至2/3 高度。 （5）第一次调节“ O.ADJ”旋钮使仪器显示值为“ -0.00”后，以后整个实验 过程中不可重调。每次按“”键停止后，要记得按“P· H”键，再按“” 键。 （6）测定时应注意按浓度从低到高的顺序依次测定溶液的表面张力。 （7）测完后，将吊环洗净放回吊盒中，关闭电源，弃去容量瓶中的溶 液。 3.测定溶液界面张力有哪些方法？ 答：常用的有毛细管上升法，滴重法，最大气泡压力法，吊环法等。