表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

辛景凡 孫佩簫 熊宇玲 祁慧敏 李圓圓

摘 要：對(duì)于最大泡壓法測(cè)定表面張力的實(shí)驗(yàn)，我們通過(guò)調(diào)整冒泡速度對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了冒泡速度分別為3，5，7，9，11s/個(gè)時(shí)，乙醇與異丙醇兩種溶液在濃度為10%，20%，30%，40%，50%時(shí)表面張力的大小。結(jié)果顯示，不同濃度的乙醇與異丙醇溶液，當(dāng)冒泡速度為11s/個(gè)時(shí)，這兩種溶液的表面張力值最接近理論值。因此在測(cè)定表面張力的實(shí)驗(yàn)時(shí)冒泡速度控制在10s/個(gè)以上，所得數(shù)據(jù)更精確。通過(guò)初步探索為表面張力實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改進(jìn)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：表面張力;冒泡速度;最大泡壓法

中圖分類號(hào)：O647.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2021）04-0021-04

1 前言

表面張力是液體普遍存在的一種現(xiàn)象，是表面層分子和內(nèi)部層分子環(huán)境不同造成的[1，2]。液面之所以會(huì)縮小是因?yàn)橥鈱臃肿永肿酉騼?nèi)運(yùn)動(dòng)，并使表面層表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。一個(gè)分子從內(nèi)部被拉到外層上，需要對(duì)抗這種反作用力而做功。在其他因素都不變的狀態(tài)下，用表面增加dA與比例常數(shù)（？滓）相乘稱為表面功，表示為

表面功的值，等同于其他因素條件不變的情況下（溫度，壓力等）每增加1面積時(shí)對(duì)整個(gè)體系做的功，換句話的意思是由能的增加值與增加每單位表面積時(shí)系統(tǒng)做的功。外界對(duì)整個(gè)體系做的功變成了多余的自由能。表面自由能用σ表示，單位是J/m2。在表面上每單位長(zhǎng)度上的力可以稱為σ，這時(shí)σ叫作表面張力[3，4]。

影響表面張力的因素主要有以下幾種：

（1）分子間的相互作用力：純液體或固體的表面張力取決于分子間的化學(xué)鍵能，一般的金屬鍵>離子鍵>極性共價(jià)鍵>非極性化學(xué)鍵。

（2）溫度對(duì)表面張力的影響，隨著溫度的升高表面張力下降。當(dāng)達(dá)到臨界溫度Tc時(shí)，表面張力趨于零。

（3）壓力的影響，當(dāng)壓力增加時(shí)，氣相密度增加，表面分子受力不均勻的現(xiàn)象略有好轉(zhuǎn)，另一因素，非液非固相的物質(zhì)，壓力如果增加是能夠促進(jìn)表面吸附的，如果氣相的物質(zhì)溶解程度增加，會(huì)使表面張力下降。

從文獻(xiàn)調(diào)研上我們也發(fā)現(xiàn)，關(guān)于不同物質(zhì)的表面張力以及溫度對(duì)表面張力的影響已有不少的研究[5-8]。一般壓力對(duì)表面張力的影響的實(shí)驗(yàn)研究不易進(jìn)行，很少有人考慮壓力對(duì)表面張力的影響。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，關(guān)于冒泡速度對(duì)表面張力的影響還未被考慮。

本文采用最大泡壓法測(cè)定兩種溶液的表面張力，希望通過(guò)調(diào)整冒泡速度來(lái)探索冒泡速度對(duì)表面張力的影響，為表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)提供一些基礎(chǔ)型數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

純液體外層與內(nèi)部的成分相同，那么液體想要使系統(tǒng)表面自由能降低，只能有一個(gè)辦法就是縮小它的表面積。在液相體系中，溶質(zhì)會(huì)影響表面張力，可以稀釋或濃縮溶質(zhì)來(lái)降低表面自由能。

根據(jù)能量最低原則，如果要降低溶劑的表面張力，表面層中溶質(zhì)濃度要高于溶液內(nèi)部。反之通過(guò)調(diào)節(jié)溶質(zhì)的量使溶劑的表面張力升高，則溶質(zhì)在外層中的濃度比在內(nèi)部的濃度要低。這種外層濃度與內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象叫吸附。如果溫度恒定，吸附量與溶液的表面張力與溶液的濃度有關(guān)。吉布斯根據(jù)熱力學(xué)的方法推導(dǎo)出它們之間的關(guān)系式：

常采用懸滴法、鉑金環(huán)法、旋轉(zhuǎn)滴法和最大泡壓法來(lái)測(cè)液體的表面張力。本文采用最大泡壓法來(lái)測(cè)溶液的表面張力。

當(dāng)儀器中的待測(cè)液體液面與毛細(xì)管端面相切，液體就會(huì)沿管上升。分液漏斗開(kāi)啟，為了增加系統(tǒng)壓力而使水緩慢下滴，這時(shí)壓力差在管端面產(chǎn)生的力>管口液體的表面張力，就有氣泡逸出，可由數(shù)顯式壓差儀上讀出大壓力差。其關(guān)系式為

式中K代表儀器常數(shù)。

因此，以已知表面張力的液體為標(biāo)準(zhǔn).從式（8）即可求出其他液體的表面張力σ1。

3 儀器和試劑

恒溫裝置一套;數(shù)顯式壓差測(cè)定儀1臺(tái);表面張力裝置配套玻璃一套;洗50mL容量瓶5個(gè);燒杯（25mL）1只;無(wú)水乙醇（AR）500mL，異丙醇（AR）500mL。

4 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理

（1）儀器準(zhǔn)備，有些儀器需要洗凈干燥對(duì)，按圖1組裝裝置。

（2）分別配置體積濃度為10%，20%，30%，40%，50%的乙醇和異丙醇溶液。

（3）調(diào)節(jié)恒溫為25.0℃。

（4）儀器常數(shù)的測(cè)定。以標(biāo)準(zhǔn)體（水）作為儀器常數(shù)。操作步驟是將干燥過(guò)的毛細(xì)管插入（垂直），使毛細(xì)管的端口與水面相切，開(kāi)啟滴液漏斗，控制滴液速度，使氣泡逸出的速度約為5-10s/個(gè)，讀取最大的氣泡時(shí)壓差Pmax，H2O（以水測(cè)量時(shí)最大壓差約在700-800Pa左右，現(xiàn)象是氣泡逸出的瞬間，否則需重選毛細(xì)管）。

通過(guò)手冊(cè)查出實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)水的表面張力，利用公式K=H2O/Pmax，H2O

（5）實(shí)驗(yàn)溶液表面張力的測(cè)定。玻璃儀器洗凈，用待測(cè)液潤(rùn)洗，加入適量樣品于試管中，按照上述第（4）步測(cè)定方法，測(cè)定實(shí)驗(yàn)的溶液壓力差/Pmax，代入公式（8）計(jì)算其表面張力。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

實(shí)驗(yàn)溫度為t=25.0℃時(shí)，蒸餾水的表面張力為？滓=71.97×10-3N/m，毛細(xì)管常數(shù)K=0.054522。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平行測(cè)定兩次取平均值。體積濃度為10%，20%，30%，40%，50%的乙醇濃度為1.72mol/L，3.43mol/L，5.15mol/L，6.86mol/L，8.58mol/L。異丙醇濃度為1.31 mol/L，2.62mol/L，3.93mol/L，5.23mol/L，6.54mol/L。表1和表2分別列出，不同濃度不同冒泡速度下得到乙醇和異丙醇的壓力差值。

根據(jù)公式（8）？滓1/？滓2=？駐Pmax，1/？駐Pmax，2，計(jì)算出不同濃度的乙醇和異丙醇的表面張力？滓1。以？滓-c作圖，在圖中曲線上的切線斜率代入吉布斯吸附公式（1）。便可得到不同濃度時(shí)氣-液界面上的吸附量Г。表3與表4分別列出了乙醇與異丙醇不同溶度，不同冒泡速度下的？滓，dσ/dc，Г值。

表4為不同濃度下異丙醇在不同冒泡速度時(shí)的σ，dσ/dc，Г值。

從實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)冒泡速度為11s/個(gè)時(shí)，所測(cè)數(shù)據(jù)更接近文獻(xiàn)值。換句話說(shuō)，對(duì)于乙醇和異丙醇溶液，在測(cè)其表面張力時(shí)，冒泡速度盡量控制在10s/個(gè)以上，獲得的數(shù)據(jù)更精確。

6 小結(jié)

本文利用最大泡壓法，從冒泡速度角度對(duì)乙醇和異丙醇溶液的表面張力進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，冒泡速度在10s/個(gè)以上時(shí)更接近文獻(xiàn)參考數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)為最大泡壓法測(cè)定溶液的表面張力在教學(xué)上提供了依據(jù)，為該實(shí)驗(yàn)的改革提供了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。

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