中国石油大学 化学原理（二）实验报告实验日期： 2014.10.24 成绩：班级：石工 学号： ： 教师：王增宝同组者：最大压差法测表面力一、实验目的1.掌握最大压差法测定表面力的原理及方法；2.测定正丁醇水溶液的表面力，了解表面力的概念及影响因素；3.学习Gibbs 公式及其应用。

二、实验原理由于净吸引力的作用，处于液体表面的分子倾向于到液体部来，因此液体表面倾向于收缩。

要扩大面积，就要把部分子移到表面来，这就要克服净吸引力作功，所作的功转变为表面分子的位能。

单位表面具有的表面能叫表面力。

在一定温度、压力下纯液体的表面力是定值。

但在纯液体中加入溶质，表面力就会发生变化。

若溶质使液体的表面力升高，则溶质在溶液相表面层的浓度小于在溶液相部的浓度；若溶质使液体的表面力降低，则溶质在溶液相表面层的浓度大于在 溶液相部的浓度。

这种溶质在溶液相表面的浓度和相部的浓度不同的现象叫吸附。

在一定的温度、压力下，溶质的表面吸附量与溶液的浓度、溶液的表面力之间的关系，可用吉布斯（Gibbs ）吸附等温式表示：=-c d RT dcσΓ 式中：Γ—吸附量（mol/L ）；c —吸附质在溶液部的浓度(mol/L )；σ—表面力（N/m ）；R —通用气体常数（/N m K mol ⋅⋅）；T —绝对温度（K ）。

若/0d dc σ<，溶质为正吸附；若/0d dc σ>，溶质为负吸附。

通过实验若能测出表面力与溶质浓度的关系，则可作出c σ-曲线，并在此曲线上任取若干个点作曲线的切线，这些曲线的斜率即为浓度对应的/d dc σ，将此值代入上式可求出在此浓度时的溶质吸附量。

测定液体表面力的方法有许多种。

本实验采用最大压差法，测定装置如图 1。

图1 表面力测定装置测定时，将分液漏的活塞打开，使瓶压力增加，气泡即可通过毛细管（要求它的尖嘴刚刚与液面接触）。

从浸入液面的毛细管端鼓出空气泡时，需要高出外部大气压的附加压力，以克服气泡表面力。

如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的（图2）。

此时附加压力与表面力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式如下： 2P R σ∆=式中：P ∆—广口瓶滴水形成的附加压力；R —气泡的曲率半径；σ—表面力（N/m ）。

当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这是曲率半径最大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这是曲率半径与毛细管半径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，直到气泡溢出。

图 2 气泡最小曲率半径示意图如果用图1装置，分别测出一种已知表面力的液体（例如水）和另一未知表面力液体（如正丁醇水溶液）的附加压力最大值，这时因为 R=r ，所以,112p r σ∆= （1）式中：1p ∆—已知表面力液体的最大附加压力；1σ—已知液体的表面力。

222p r σ∆= （2）式中：2p ∆—已知表面力液体的最大附加压力；2σ—已知液体的表面力。

因为两种液体的最大附加压力（即最大压差）是在同一仪器的同一毛细管测的。

所以，上两式的 r 是相同的，若将r 消去即得：2211p p σσ∆=⋅∆ （3） 因此，在同一温度下，只要测得ΔP 1、ΔP 2，再由温度查出已知表面力液体（水）的表面力；即可由公式（3）求出未知液体的表面力。

三、实验仪器与药品1．仪器最大压差法测表面力装置一套，洗瓶，吸耳球。

2．药品正丁醇（分析纯），蒸馏水。

四、实验操作步骤1．用洗液洗表面力测定仪的外套管和毛细管。

方法是在外套管中放入少量洗液，倾斜转动外套管，使洗液与外套管接触（注意不要让洗液从侧管流出）。

再将毛细管插入，这时保持外套管倾斜不动，转动毛细管，使洗液与毛细管接触，再用洗耳球吸洗液至毛细管，洗毛细管壁。

用完的洗液倒回原来瓶中，然后用自来水充分冲洗外套管和毛细管，最后用蒸馏水冲洗外套管和毛细管各三次，即可进行下面实验。

2．在外套管中放入蒸馏水（作为已知表面力的液体，其表面力见附录二），将毛细管插入外套管，塞紧塞子，并使毛细管尖端刚碰到液面。

如果外套管中液体稍过量，则可用吸耳球将液体吸到毛细管中，将液体移出。

通过调节，使毛细管尖端刚碰到液面。

3．关闭滴液漏斗下活塞，在分液漏斗加入自来水。

按照图1将表面力测定装置管线流程接上。

4．打开精密数字压力计电源，然后打开漏斗上活塞，将管线压力放空。

按精密数字压力计的采零键，是精密数字压力计的示数置零。

5．关闭滴液漏斗上活塞，打开分液漏斗的活塞，使分液漏斗中的水慢慢滴下，这时气泡将通过毛细管端冒出。

从精密数字压力计上读取最大压差值，重复读取三个数值，将数据记录在实验记录纸上，取平均值。

6．测完蒸馏水的最大压差后，倒掉蒸馏水，用0.02mon/L 的正丁醇洗一次外套管和毛细管两次，然后再加入该溶液，按照测蒸馏水的最大压差一样，测定该溶液的最大压差。

依次测得0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mol/L 的正丁醇溶液的最大压差。

（注意：每更换一次溶液，都应用待定液洗外管套管和毛细管）。

7．记录实验温度。

五、实验数据处理1.由附录一查出实验温度下蒸馏水的表面力。

答：当室温T=21C 时，查附录一可知2（H O ）=72.59mN m σ⋅ 2.由公式2211p p σσ∆=⋅∆计算出不同浓度正丁醇溶液的表面力，用表格的形式列出计算结果，并取一组数据附一计算实例。

室温：21 C正丁醇mol/L压力（Pa ）H 2O 0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 P 1 349 331 307 287 263 235 222 214 197 P 2 348 327 308 283 262 235 222 213 197 P 3 349 334 307 287 266 236 222 215 197 p348.7 330.7 307.3 285.7 263.7 235.3 222.0 214.0 197.0σ（mN/m ） 72.5968.84 63.97 59.47 54.89 48.98 46.21 44.54 41.01表1 最大压差法测定表面力实验记录表解：查得实验温度下蒸馏水的表面力为72.59mN/m 以0.20mol/L正丁醇为例：由公式可得22112235.372.59348.748.98(mN m)ppσσσ∆=⋅=⨯∆=⋅以此为例，可得到表1中数据。

3.以表面力为纵坐标，以浓度为横坐标，在坐标纸上画出正丁醇溶液的cσ-图。

图3 294K时正丁醇的cσ-图4.在cσ-图上选若干点，作不同浓度曲线时切线，依Gibbs公式=-c dRT dcσΓ求出相应的表面吸附量；并在坐标纸上画出正丁醇溶液的吸附等温线。

根据拟合曲线公式：计算出在0~0.35mol各点的切线的斜率以c=0.20mol/L 数据为例计算。

可知，在c=0.20mol/L处的切线斜率为-0.078438，又因为T=21+273=294K，60.2=-(0.078438)8.3142946.41810(/)c dRT dcmol Lσ-Γ=-⨯-⨯Γ=⨯C(mol/L)0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35Г(10-6mol/L)1.1072.575 4.502 5.784 6.418 6.406 5.747 4.441图4 294K时正丁醇的cΓ-图六、思考题1.实验中，如果毛细管深入液面 1mm 会造成多大误差？答：如果毛细管深入液面1毫米，会使附加压力增大。

根据公式P ghρ=，得到增加的附加压力为P=9.8Pa。

2.实验中，为什么要尽量放慢鼓泡速度？答：因为仪器有一定的反应时间，让气泡生成速度放慢从而较准确读出最大值，鼓泡过快可能会使读出的数不是最大值会造成实验测量误差。

3.实验中，为什么要求从稀到浓逐个测定不同浓度溶液的表面力？答：为了减少由于残留正丁醇的影响而造成的实验误差，使实验更加的准确。

4.解释cσ-曲线的变化趋势。

答：随浓度的增加表面力逐渐减小，并且切线斜率随着浓度的增大而逐渐减小，切线方向最终逐渐趋于水平，最后曲线无限趋近于直线稳定。

5.实验中，影响表面力测定准确性的因素有哪些？答：影响表面力准确性的因素主要有仪器的气密性是否良好，毛细管与液面是否刚刚接触，室温的大小，溶液浓度是否准确，实验开始前是否去除上次实验残留药品的影响，气泡冒出时是否缓慢。

七、总结实验中学习了最大压差法测定表面压力的方法，通过实验，可以观察到许多细节，有利于理论知识的学习。

实验中应该注意的有，每次实验前要用下次实验的试剂反复润洗毛细管与外套管，去除上次实验残留药品的影响；调节毛细管与液面的接触距离时，一定要确保与毛细管与液面刚刚接触；在调节气泡冒出时要让其缓慢冒出，以增加读取最大值的准确性。