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【求助】如何測AEO9溶液的表面張力
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配制一系列濃度的AEO9的溶液后怎樣在25度下測其表面張力，最重要的是怎樣用其濃度的對數(shù)對其張力作圖？？要求對數(shù)等間距 [ Last edited by chemredox on 2008-5-2 at 22:26 ] |
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yeyongsheng(金幣+1,VIP+0):謝謝應助，歡迎常來精化版
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表面張力的測定——最大氣泡法 一、 實驗目的 1． 掌握最大氣泡法測定表面張力的原理和技術。 2． 通過對不同濃度正丁醇溶液表面張力的測定，加深對表面張力、表面自由能和表面吸附量關系的理解。 3． 學習用Matlab處理實驗數(shù)據(jù)。 4． 使用《管理系統(tǒng)》完成實驗。 二、 實驗原理 圖20-1 分子間作用力示意圖 在液體的內部任何分子周圍的吸引力是平衡的�？墒窃谝后w表面層的分子卻不相同。因為表面層的分子，一方面受到液體內層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液體表面層中，每個分子都受到垂直于液面并指向液體內部的不平衡力（如圖20－l所示）。這種吸引力使表面上的分子向內擠促成液體的最小面積。要使液體的表面積增大就必須要反抗分子的內向力而作功增加分子的位能。所以說分子在表面層比在液體內部有較大的位能，這位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功A或增大一平方米所引起的表面自由能的變化值ΔG稱為單位表面的表面能其單位為J．m-3。而把液體限制其表面及力圖使它收縮的單位直線長度上所作用的力，稱為表面張力，其單位是Nm-1。液體單位表面的表面能和它的表面張力在數(shù)值上是相等的。 欲使液體表面積增加△S時，所消耗的可逆功A為： -A =△G =σ△S 液體的表面張力與溫度有關，溫度愈高，表面張力愈小。到達臨界溫度時，液體與氣體不分，表面張力趨近于零。液體的表面張力也與液體的純度有關。在純凈的液體（溶劑）中如果摻進雜質（溶質），表面張力就要發(fā)生變化，其變化的大小決定于溶質的本性和加入量的多少。 當加入溶質后，溶劑的表面張力要發(fā)生變化。把溶質在表面層中與本體溶液中濃度不同的現(xiàn)象稱為溶液的表面吸附。使表面張力降低的物質稱為表面活性物質。用吉布斯公式(Gibbs)表示： 圖20-2 最大氣泡法表面張力測定裝置 式中： 為表面吸附量(mol.m-2)，σ為表面張力（J.m-2）。 表示在一定溫度下表面張力隨濃度的改變率。即： <0，Г>0，溶質能降低溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度大于內部的濃度，稱為正吸附作用。 >0，Г<0，溶質能增加溶劑的表面張力，溶液表面層的濃度小于內部的濃度，稱為負吸附作用。 由此，測定溶液的濃度和表面張力，可以求得不同濃度下溶液的表面吸附量。 如圖20-2是最大氣泡法測定表面張力的裝置示意。待測液體置于支管試管中，使毛細管端面與液面相切，液面隨毛細管上升。打開滴液漏斗緩慢抽氣。此時，由于毛細管液面所受壓力大于支管試管液面所受壓力，毛細管液面不斷下降，將從毛細管緩慢析出氣泡。在氣泡形成的過程中，由于表面張力的作用，凹液面產生一個指向液面外的附加壓力△P，因此有以下關系： P大氣 = P系統(tǒng) +△P 附加壓力與表面張力成正比，與氣泡的曲率半徑R成反比。 圖20-3 氣泡形成過程 若毛細管管徑較小，則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時，由于表面幾乎是平的，所以曲率半徑R極大；當氣泡形成半球形時，曲率半徑R等于毛細管半徑r，此時R值最小。隨著氣泡的進一步增大，R又趨增大，直至逸出液面。R=r時，附加壓力最大： 最大附加壓力由數(shù)字微壓差計或U型管壓差計讀出。 用數(shù)字微壓差可以直接讀出壓差的值（Pa），體系的導氣管接數(shù)字微壓差計的負壓口（L），正壓口（H）與大氣相通。若用U型管壓差計，壓差則以△hm表示。下式中，ρ為工作介質密度，g為重力加速度，則： △Pm =△hmρg σ= r△hmρg 在實驗中，使用同一支毛細管和壓差計， rρg為常數(shù)（儀器常數(shù)），用K表示，即： σ=K△hm。 用已知表面張力的液體作為標準，可以測得儀器常數(shù)K，也可以測定其它求知液體的表面張力。 吸附量與濃度之間的關系可以用Langmuir等溫吸附方程式表示： (20-4) �！逓轱柡臀搅�,k為經驗常數(shù)。將上式整理得： (20-5) 以c/Г∞對c 作圖可得到一條直線，其斜率的倒數(shù)為Г∞。 如果以N代表1平方米表面層的分子數(shù)，則 (20-6) 式中NA為Avogadro常數(shù)，則每個分子的截面積A∞為: 三、儀器和試劑 恒溫槽裝置； 數(shù)字微壓差計（或U型管壓差計） 滴液漏斗（250rnL）l個； 支管試管（φ25×20cm） 毛細管（0.2～0.3mm）1支； 燒杯（250mL） T形管1個； 重蒸餾水 正丁醇（AR）； 四、實驗步驟 1．儀器常數(shù)的測定： （1）仔細洗凈支管試管與毛細管，連接裝置。 （2）加入適量的重蒸餾水于支管試管中，毛細管端面與液面相切。恒溫（200C）20分鐘。 （3）打開滴液漏斗緩慢抽氣，使氣泡從毛細管緩慢逸出，調節(jié)逸出氣泡每分鐘20個左右。讀出壓差計最大高度差，讀3次，取平均值。 2．待測樣品表面張力的測定：配制從0.02~0.80mol.L-1系列（0.025, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.40,0.60,0.80）的正丁醇溶液。（正丁醇ρ=0.8109）可先配制0.80mol/L的溶液，其它的濃度用稀釋的辦法配制。 3．用待遇測溶液洗凈支管試管和毛細管后，方法同1，裝入待測樣品，測定氣泡緩慢逸出時的最大壓差。 五、數(shù)據(jù)記錄與處理 由于需要在實驗數(shù)據(jù)繪制的曲線圖上作切線，求斜率，手工作圖將會有很大的隨意性并帶來誤差，因此應該用計算機處理數(shù)據(jù)。用MATLAB處理實驗數(shù)據(jù)的方法見II部分第一章第6節(jié)有關內容。 以下是手工處理數(shù)據(jù)的步驟： 1．計算儀器常數(shù)并計算溶液的表面張力。 2．以濃度C為橫坐標，以σ為縱坐標作圖，橫坐標從0開始，連成光滑曲線。 3．在曲線上取若干（0.03, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.30, 0.40，0.60 ）點，求其斜率。 m = 結果正確的關鍵在于曲線光滑和切線的確定。如是手工處理，畫切線可采用鏡面反射法（圖20-4）。 4．根據(jù)吉布斯方程求吸附量。 圖20-4 作圖求 示意 5．表列出c、Г、 、c/Г的對應數(shù)據(jù)。 6.以c/Г對c作圖，從直線的斜率求出Г∞， 并計算出正丁醇分子的截面積A∞。 六、注意事項 1．測定時毛細管及支管試管應洗滌干凈，否則氣泡不能連續(xù)形成，而影響最大壓差的測量。 2．測定時毛細管端剛好和溶液面相切。 3．U形壓力計應選用酒精或水壓計。 4．控制好滴液漏斗的放液速度，以利于讀數(shù)的準確性。 5．數(shù)字微壓差儀的測壓接口在儀器后的面板上。使用時，先將儀器按要求連接在實驗系統(tǒng)上（注意實驗系統(tǒng)不能漏氣），再打開電源預熱10min，即可進行測量。儀器上顯示的數(shù)字即為實驗系統(tǒng)與大氣壓之間的壓差值。 七、思考題 1．表面張力為什么必須在恒溫槽中進行測定，溫度變化對表面張力有何影響，為什么， 2．實驗如用U型管壓差計，工作液應選什么為宜？ 3．用最大氣泡法測量表面張力時為什么要讀最大壓差？ 4．滴液漏斗的放液速度對本實驗有何影響？ 八、使用《管理系統(tǒng)》 本實驗中壓差測量采用微壓差計，通過串口與計算機通訊。 1、壓差測量（圖20-5） 首先進行儀器常數(shù)測定。準備好實驗，精密壓差儀置0，開始減壓后，點擊序號“1”，系統(tǒng)開始記錄。記錄3分鐘完成。再進行第2、3次測定，最后求“平均”、“保存數(shù)據(jù)”。 如果實驗失敗，選擇“放棄”。 圖20-6 儀器常數(shù)與表面張力確定 圖20-5 壓差測量 未知試樣測定與儀器常數(shù)測定類似。 2、數(shù)據(jù)處理 （1）儀器常數(shù)與表面張力確定（圖20-6） 確認實驗人，“調入數(shù)據(jù)”。 確認有關儀器常數(shù)數(shù)據(jù)，計算出儀器常數(shù)。提供計算表達式后，“計算”出未知試樣的表面張力，“保存/退出”。 （2）擬合函數(shù)選擇 本實驗需要從表面張力與濃度的關系得出表面吸附量與濃度的關系，系統(tǒng)采用多項式擬合出適當?shù)暮瘮?shù)關系，然后計算指定濃度的導數(shù)的值，使結果更具有客觀性，同時學生對非線性擬合也有了更形象的了解。系統(tǒng)（圖20-7）提供了幾種擬合方式：σ~c、σ~lnc、σ~Sqrt(c)。選擇一種方式，輸入擬合階數(shù)，點擊“擬合”。系統(tǒng)自動進行擬合，并顯示擬合的結果。根據(jù)圖形很容易判斷擬合的效果。如果不滿意，可以重新選擇條件，再進行擬合。滿意后，點擊“確認”。 圖20-7 多項式擬合 圖20-8 吸附量與濃度關系 學生需根據(jù)擬合的結果，寫出擬合多項式。 根據(jù)吉布斯吸附等溫式和擬合多項式，提供計算吸附量的表達式，點擊“斜率計算”，系統(tǒng)自動計算，并進入吸附量界面，顯示斜率和吸附量的計算結果，并給出吸附量與濃度關系圖（圖20-8）。 確定最大吸附量的數(shù)值，并需要提供計算溶質分子截面積的計算式。 九、進一步考慮的問題 一般教科書都用上式來分析Г—c的關系，并將Г∞稱為飽和吸附量。但是，表面吸附量Г的概念是一種表面超量(表面過剩)，是指單位面積的表層中所含溶質的量與具有相同質量溶劑的本體溶液中所含溶質的量之差。因此從表面超量角度理解，當濃度較低時，由于溶質(具表面活性)優(yōu)先排布在溶液表面層，使Г隨濃度增加而增加。當濃度增大到一定值后，再增加溶質濃度，必定使溶質在表面層的濃度與在體相中的濃度之差越來越小，直到濃度無限大時，這個差值為零。因此吸附量Г達到極大值后，會逐漸減少，直到Г∞＝0。顯然上式沒有體現(xiàn)這一特征。 |
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